2021年12月08日 09:00
【科學快訊】
時間可以同時「向前」和「向後」流逝嗎？
根據一項最新的研究，至少在量子系統中，答案是肯定的。在研究中，物理學家展示了量子系統如何沿著兩個方向相反的時間之箭（也就是時間上「向前」和「向後」）同時演化。
或許我們因此需要開始重新思考，在量子定律發揮關鍵作用的情況下，我們應該如何理解並表征時間流。研究已於近日發表在《通訊物理》上。
Part.1
當我們抬頭仰望星空，觀察天體運動時，常常會產生一種永恒的錯覺，這種感覺可能會讓我們懷疑，時間是否真的存在。
幾個世紀以來，哲學家和物理學家一直在思考時間。然而，在經典世界中，日常經驗似乎可以讓我們打消所有關於時間存在的疑慮：時間的確存在，並且不斷流逝，一去不複返。
這種看似的顯而易見來自這樣一個事實：大多數宏觀物理現象只能朝著一個方向發生。在物理學中，這種單一的時間方向的傾向與產生的熵有關。
熵可以理解成定義系統無序程度的物理量。熱力學第二定律告訴我們，一個孤立系統的熵在後來時刻的值，將大於（或者至少是不小於）它在之前時刻的值。也就是說，自然界的宏觀過程往往會自發地從無序程度較低的狀態，演變到無序程度較高的狀態，這種傾向可以用來識別時間之箭的方向：熵增就是時間「向前」的方向。
但是，微觀的物理定律是時間對稱的，換句話說，並不存在所謂的天然優先的時間方向。在最基本的層面上，物理系統往往遵循時間可逆的定律。對於一個微觀系統來說，漲落模糊了時間之箭的方向，時間流只是平均定義的。更具體地說，在這種情況下，我們無法推斷時間之箭，系統的演化在本質上並不會區分所謂時間「向前」或「向後」。
這種差異不僅為解釋「時間流逝」帶來了挑戰，更讓人們對量子領域中的「時間流動」產生了疑問。
Part.2
不少物理學家試圖將熱力學時間之箭的想法應用在量子領域中，從而期待更深入地理解時間是如何在量子機制下流動的。
量子世界的特點之一是量子疊加原理，根據這一原理，當一個量子系統存在兩種可能的狀態，那麼它就可以同時處於這兩種狀態的疊加。
如果將量子疊加原理拓展到時間之箭上，也就得到了，能在向前或向後（反演）兩種時間方向上演化的量子系統，也可以在兩個時間方向上同時演化。
盡管對於我們的日常經驗來說，這種想法聽上去相當荒謬，但在其最基本的層面上，宇宙法則是基於量子力學原理的。這就引出了一個問題：為什麼我們在自然中從未遇到過這些時間流的疊加。
在這項新研究中，科學家量化了一個系統在兩個方向相反時間之箭的過程的量子疊加中演化所產生的熵。研究發現，這通常會導致將該系統投射到一個定義明確的時間方向上，這個方向與這兩個過程中最有可能的那個方向相一致。然而，當涉及非常少量的熵時，在物理上就可能觀察到系統同時沿向前和向後的兩個時間方向演化的結果。
Part.3
這項研究告訴我們，雖然時間通常被視為一個不斷增加的參數，但在量子力學的環境中，主導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，在所有量子定律起到了關鍵作用的環境中表征這個量的方式。
此外，研究人員認為，這項研究在量子熱力學方面也具有實際意義。比如，將量子系統置於交替時間之箭的疊加中，或許可以在熱機和冰箱的性能方面帶來某些優勢。
參考文獻：
封面來源：
Aloop Visual & Science， University of Vienna， Institute for Quantum Optics and Quantum Information of the Austrian Academy of Sciences
來源：原理
