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逆转“时间之箭”的量子实验

1895年,英国著名小说家赫伯特·乔治·威尔斯(Herbert George Wells)在他的著作《时间机器》中,将“时间”与“旅行”这两个词结合了起来。从那之后,便开启了了人们想要通过一台机器穿梭到过去或未来的幻想。除了公众的幻想,事实上科学家也一直在认真思考“时间旅行”的可能性。


从19世纪开始,建立时间旅行的规则开始成为科学的一部分。爱因斯坦也曾参与到这场辩论中,并向我们展示了如何才可以做到这一点[1]。霍金教授也曾与女儿共同撰写了一本关于时间旅行的儿童读物。还有2017年诺贝尔物理学奖得主基普·索恩也在《黑洞与时间弯曲》一书中叙述了穿越虫洞的冒险之旅。还有许多其他宇宙学家和物理学家也纷纷效仿,想象出许多令人惊叹的情节。但更重要的是科学家总是不断地试图构想出新的实验以检验时间旅行的可能性。



○ 与其漫长地等待时间机器的出现,或许你可以尝试一个最老式的做法进行时间旅行,那就是阅览历史和文学。正如笛卡尔曾写道:“与其他时代的人对话和旅行几乎是一回事。”| 图片来源:TOMI UM


在探讨一个最新的实验之前,我们首先想知道的是,究竟是什么决定了时间的流逝方向?


在物理学世界中,有些定律似乎注定是无法被打破的,比如热力学第二定律。它表述的是在一个孤立的系统中,(无序的度量)永远不会减少。这意味着破碎的玻璃、咖啡中扩散的牛奶、打碎的鸡蛋永远无法自发地逆向还原成之前的样子。这也是为什么热量总是自发的从热传递到冷的原因,因为这样做总熵才会增加。该定律对于物理现实是如此的重要,以至于一些物理学家认为是它决定了时间的箭头。


但是同样的规则并不一定适用于量子系统。去年年末,在一篇名为《用量子相关逆转时间的热力学箭头》的论文中[2],物理学家通过实验指出,在一定的条件下,热量会自发地从一个冷的量子物体流向一个较热的量子物体。实验强调了量子热力学领域正在探索的信息、熵和能量之间的密切关系。


在实验中,研究人员使用了由一个碳原子、一个氢原子和三个氯原子组成的氯仿分子作为实验对象,接着再生成一个磁场来对准两个量子粒子或“量子比特”——碳核和氢核——的核自旋。这导致原子核变得相互联系或相关,使它们成为一个单一的、不可分离的双量子比特系统的量子态。

正是这种相关性使那些令人困惑的行为成为可能。



○ (A)当两个系统不相关时,热量从较热的核自旋流向较冷的核自旋,与之对应的是时间的标准热力学箭头。对于初始自旋具有量子相关性的系统来说,热量会自发地从较冷的自旋转移到较热的自旋,时间的箭头在这里发生逆转。(B)实验中使用的磁力计。(C)导致部分热化过程的实验脉冲序列。| 图片来源:K. Micadei et. al


传统上,熵衡量的是一个系统可能存在的不同配置的数量。在一个经典系统中,系统的熵等于每个部分熵的总和。


而在量子世界中,熵会受到相关性的影响。一个双量子比特系统可以处于四种可能状态(00,01,10,11)中的其中一种,并且它的熵由处于这些状态中的每一个中的概率来定义。通过比较单个量子比特系统的熵和相关系统的熵,研究人员就可以测量出相关量。


实验始于两个强相关的粒子,随着实验的进行,这些粒子开始逐渐相互分离,导致相关性减弱——这意味着单个熵的总量降低了。


如果总熵在一个规则的、不相关的系统中突然下降,那将违反热力学第二定律。但在这里,研究人员将相关性考虑在内。相关性的弱化就类似于燃料将热量从较冷的物体驱动到较热的物体。冷的量子比特系统越来越冷,热的量子比特系统越来越热。换句话说,就是热量从冷流向热。这样的情况出现是由相关性和熵之间的平衡导致的。


我们可以说,至少在这个孤立系统中,这一操作有效地逆转了时间的箭头。因为时间的热力学箭头依赖于一个封闭系统的熵只能增加或保持不变,但绝不减少的概念。因此说实验室中创建的这个熵减少的孤立系统,使时间的箭头指向了相反的方向。


从某种意义上,实验的结果表明了“时间的箭头”不是一个绝对概念,而是相对的,因为它强烈地依赖于初始条件的选择。之前有人对这种效应做出过预测,但在物理系统中出现逆转还是第一次实现。


 

○ 

○ 如何逆转时间的热力学箭头:根据热力学第二定律,热量总是从高温物体流向低温物体,因为这会增加系统的熵(或无序)。而最近的一个实验表明,量子相关性似乎可以违反这一原理。|

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来自:YspBweGtb  > 科学
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