解釋宇宙基本結構得用“時空準晶體”理論?

如上圖所示，傳統(tǒng)準晶體以三維空間形式存在。不過，科學家發(fā)現，時空準晶體理論上也可能存在。

來源：世界科學

作者編譯：李威

準晶體是一種性質頗為怪異的材料，和晶體一樣，這種材料的結構也相當有序，但又沒有晶體那樣的規(guī)律重復模式。科學家早已在隕石和第一次原子彈測試的碎片中發(fā)現了準晶體。而現在，他們從理論上發(fā)現，準晶體甚至可以進入一個更加奇怪的領域：愛因斯坦狹義相對論中的時空融合框架。

物理學家認為，在宇宙中，準晶體結構不僅可以以二維、三維的空間形式存在，而且可以成為連接時間和空間的橋梁。相關論文于2026年1月提交到了預印本平臺上。

雖然準晶體是理論概念，但研究人員認為，時空準晶體或許真會在自然界中出現，甚至可能是支撐整個宇宙的底層結構。

晶體這種結構的最大特征是自我重復。如果你復制某個晶體，再把復制品疊放到原晶體上面，會發(fā)現各個節(jié)點都能嚴絲合縫地匹配起來。你可以把這個過程想象成貼瓷磚或者貼壁紙。而準晶體，雖然它們的結構也相當有序，但并不存在這樣的完全自我重復特征。

晶體和準晶體都是確實存在于真實世界的數學概念，通常出現在二維或三維材料中。不過，時空準晶體并不必然存在。英國布里斯托大學理論物理學家菲利克斯·弗里克爾（Felix Flicker）說：“我原本感覺，時空準晶體大概是不成立的，但現在好像已經有同行構想出來了。他們構造的這種結構是時空中最優(yōu)雅的事物。”

雖然準晶體沒有自我重復的特征，但它們的有序結構意味著準晶體的各個部分都具有相似的特性。如果有一只螞蟻坐在某個準晶體的某一部分上，它看到的準晶體結構與另一只螞蟻在不同位置看到的應該相似。不過，這是日常世界中的準晶體，到了時空領域，還存不存在這樣的性質？

時空遵循的是洛倫茲對稱性。這種對稱性意味著，無論你是坐著不動還是以接近光速的速度運動，看到的事物性質都應該是不變的。舉例來說，各種物理定律都應該遵守洛倫茲對稱性：無論觀測者運動得多快，其適用的物理定律總是不變的。

然而，洛倫茲對稱性不適用于正常晶體和我們之前所知的那些準晶體：坐著不動的螞蟻看到的晶體結構會與以接近光速運動的螞蟻看到的不同。而在相對論框架下，高速運動的觀測者會看到物體明顯變短，也即運動速度扭曲了物質結構。

不過，研究人員構想出的這些新時空準晶體倒是遵循洛倫茲對稱性。無論是坐著不動的螞蟻，還是坐在加速上升的火箭上的螞蟻，看到的這種時空準晶體都是一樣的。

這些研究人員在高維點格網絡中截取四維切片，再將各個點投射到這些四維切片上，通過這種數學方法構造出時空準晶體的概念。這種四維切片的斜率是無理數——一種不能寫成由兩個整數構成的分數的數，圓周率π就是一個無理數。而斜率為無理數則意味著這些四維切片永遠不會與原本那個高維點格網絡上的點相交，這就保證了一定會產生永遠不重復的結構。

準晶體原本是一個數學概念，但研究人員發(fā)現它的確存在于某些現實材料結構中，并且可能存在于其他任何地方。加拿大滑鐵盧圓周研究所的索迪里斯·米格達拉斯（Sotiris Mygdalas）說：“我們生活的時空可能就是一個準晶體。”他表示，時空準晶體可能與某些量子引力理論相關。這些理論認為，在非常小的尺度上，時空會分解成一個個點。而準晶體結構就是一種能在遵守洛倫茲對稱性前提下分割時空的框架。

此外，研究人員還研究了能否把這種時空準晶體應用于弦理論——這種理論把基本粒子描述成微小的振動弦，并且提出宇宙可能有十個維度。據此，弦理論的支持者一般會認為，既然我們日常生活于其中的宇宙只有三個空間維度和一個時間維度，那么剩下的六個維度一定蜷曲到了非常小的程度，導致我們無法與其發(fā)生相互作用。

而準晶體恰恰提供了一種全部十個維度都蜷曲起來的方法，且同時還能保證看似無盡的時空還是我們現在感受到的樣子。只要像構建數學準晶體那樣，截取斜率為無理數的切片，便能從蜷曲的空間中構建出無限的時空。

當然，這一切目前都還只是初步構想，究竟是否能成功還需要更多扎實工作驗證，提出者自己也稱這些想法“半生不熟”。

即便尚不成熟，時空準晶體的概念也無疑是有吸引力的。羅格斯大學理論物理學家格里高利·摩爾（Gregory Moore）稱：“時空準晶體的概念在數學上十分美妙，雖然在物理上還屬于高度猜想，但無疑值得深入探索。”

資料來源：

Physicists dream up ‘spacetime quasicrystals’ that could underpin the universe

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