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“时间之箭”在量子实验中逆转,新观念打破常识

2017.12.03

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  当你停止微波加热之后,你的一杯咖啡绝不会突然升温。但同样的规则不一定适用于量子系统。研究人员在 arXiv.org 网站上报道,类似于寒冷的空气可以温暖马克杯,热量会在一定条件下自发地从一个冷的量子粒子流向一个较热的量子粒子。这种现象似乎扭转了“时间的箭头。


  时间箭头的存在是从热力学的第二定律开始的。公里规定熵或无序随着时间的推移会增加。这个规则解释了为什么粉碎玻璃很容易,但把它还原回去很难,以及为什么热量自发地从热到冷传递,而不是相反的方向。

  “然而,新的研究结果表明,时间的箭头并不是一个绝对的概念,而是一个相对的概念,”德国埃尔朗根-纽伦堡大学的理论物理学家、研究报告的合作者 Eric Lutz 说:“不同的系统可以有不同的时间箭头指向不同的方向。”研究人员在实验室中研究的两个量子粒子的箭头显然是指向相反方向的。在实验室之外,该量子箭头通常指向正常的方向(与实验室中相反)。

  扭转时间的箭头对于量子粒子是可能的,因为它们是相关的——它们的性质是以在较大物体中不可能存在的方式相联系着的,这种关系类似于量子纠缠,但不如量子纠缠的作用力强。这种关联意味着粒子共享一些信息。在热力学中,信息具有物理意义。牛津大学的物理学家 David Jennings 说,“这种关系是有序的,这个序列就像燃料,可以用来驱动热量反向流动。”
          
  由巴西 ABC 联邦大学的物理学家罗 Roberto Serra 领导,实验中研究者操纵氯、碳、氢和氯原子。科学家们预热了这些分子,使氢原子核的温度高于碳原子的温度(通过一个原子的核被发现处于一个更高的能量状态的概率来判断)。当两个原子核的能量状态不相关时,热量就像正常情况一样从热的氢气流向冷的碳。但是当两个原子核之间有足够强的量子相关性时,热量向后流动,使热核团变得更热,冷核团变冷。

  牛津大学的物理学家 Vlatko Vedral 说:“这并不是说它违背任何物理定律。标准的热力学第二定律假定不存在这样的相关性。当第二定律被推广到相关性时,该定律仍然是正确的。随着热量的流动,两个核之间的相关性消失,这个过程补偿了由于逆向热流而引起的熵减小。”

  英国诺丁汉大学的物理学家 Gerardo Adesso 说:“这是一个非常好的实验。理论物理学家已经预言会出现这种效应,所以'这并不令人惊讶’。”

  “科学家们希望利用量子粒子的奇怪热力学来创造量子引擎,这些量子引擎可以执行超出典机器引擎的任务范围,例如控制小尺度的热流方向,”Serra 说。
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