【量子王國,時間流動也會不同】來自英國布里斯托大學、奧地利維也納大學等機構的物理學家聯合團隊展示了量子系統是如何沿著兩條相反的時間箭頭同時演化的——在時間上既向前也向後。這項近日發表在《通信物理學》上的研究http://t.cn/A6xoLogP 讓人們有必要重新思考,在量子定律發揮關鍵作用的背景下,時間流是如何被理解和表示的。

被困在時間流中的量子曡加態中船夫的藝術繪圖。圖片來源:維也納大學、奧地利科學院量子光學和量子訊息研究所

幾個世紀以來,哲學家和物理學家一直在思考時間的存在。

在古典世界,人們的經驗似乎消除了關於時間存在和繼續的任何懷疑。事實上,在自然界中,過程往往會自發地從無序程度較低的狀態進化到無序程度較高的狀態,這種傾向可以用來識別時間箭頭。在物理學中,這是用“熵”來描述的,即是定義系統無序程度的物理量。

“如果一種現象產生了大量的熵,觀察它的時間反轉就非常不可能,甚至於在本質上成為不可能。然而,當產生的熵足夠小時,就有不可忽略的概率看到一個現象的時間反轉自然發生。”英國布里斯托大學量子工程技術實驗室博士、該論文主要作者Giulia Rubino說。

“以我們每天早上做事情的順序為例。如果讓我們看到牙膏從牙刷上跑回牙膏管里,我們會毫無疑問地認為這是一天的倒帶記錄。然而,如果我們輕輕擠壓牙膏管,只有一小部分牙膏出來,就不太可能看到它重新進入管子,被管子的減壓吸入。”

在維也納大學教授Caslav Brukner的帶領下,研究作者將這一想法運用到量子領域,其特點之一是量子曡加原理,根據這個原理,如果一個量子系統的兩種狀態都是可能的,那麼這個系統也可以同時處於兩種狀態。

將這一原理延伸到時間箭頭上,其結果是,量子系統在一個或另一個時間方向進化(牙膏從管子里出來或回到管子里),也可以發現它同時沿著兩個時間方向進化。

“雖然這個想法在應用於我們的日常經驗時似乎相儅荒謬,但在其最基本的層面上,宇宙的定律是基於量子力學原理的。這就引出了一個問題:為什麼我們在自然界中從未遇到這些時間流的曡加。”Rubino說。

來自西班牙巴利阿里群島大學的共同作者Gonzalo Manzano說:“在這項研究中,我們量化了一個系統產生的熵,該系統在具有相反時間箭頭的量子曡加過程中進化。我們發現,這通常導致系統在一個明確定義的時間方向上的投影,對應於兩者中最可能的過程。然而,如果涉及到少量的熵(例如,只有一丁點的牙膏被擠出來,我們可以看到它被吸入牙膏管中),那麼人們就可以在物理上觀察到系統沿時間方向同時向前和向後進化的後果。”

除了時間本身可能無法定義這一基本特徵外,這項工作在量子熱力學中也具有實際意義。將量子系統置於替代時間箭頭的曡加位置,可能會在熱機和冰箱的性能上帶來優勢。

“雖然時間經常被視為一個不斷增加的參數,但我們的研究表明,在量子力學背景下,控制時間流動的規律要複雜得多。這可能意味著,我們需要重新思考在量子定律發揮關鍵作用的所有情況下,表示這種量的方式。”Rubino說。http://t.cn/A6xoLogv

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