逆轉「時間之箭」的量子實驗
1895年，英國著名小說家赫伯特·喬治·威爾斯（Herbert George Wells）在他的著作《時間機器》中，將「時間」與「旅行」這兩個詞結合了起來。從那之後，便開啟了了人們想要通過一台機器穿梭到過去或未來的幻想。除了公眾的幻想，事實上科學家也一直在認真思考「時間旅行」的可能性。
從19世紀開始，建立時間旅行的規則開始成為科學的一部分。愛因斯坦也曾參與到這場辯論中，並向我們展示了如何才可以做到這一點[1]。霍金教授也曾與女兒共同撰寫了一本關於時間旅行的兒童讀物。還有2017年諾貝爾物理學獎得主基普·索恩也在《黑洞與時間彎曲》一書中敘述了穿越蟲洞的冒險之旅。還有許多其他宇宙學家和物理學家也紛紛效仿，想像出許多令人驚嘆的情節。但更重要的是科學家總是不斷地試圖構想出新的實驗以檢驗時間旅行的可能性。
與其漫長地等待時間機器的出現，或許你可以嘗試一個最老式的做法進行時間旅行，那就是閱覽歷史和文學。正如笛卡爾曾寫道：「與其他時代的人對話和旅行幾乎是一回事。」|圖片來源：TOMI UM
在探討一個最新的實驗之前，我們首先想知道的是，究竟是什麼決定了時間的流逝方向？
在物理學世界中，有些定律似乎註定是無法被打破的，比如熱力學第二定律。它表述的是在一個孤立的系統中，熵（無序的度量）永遠不會減少。這意味著破碎的玻璃、咖啡中擴散的牛奶、打碎的雞蛋永遠無法自發地逆向還原成之前的樣子。這也是為什麼熱量總是自發的從熱傳遞到冷的原因，因為這樣做總熵才會增加。該定律對於物理現實是如此的重要，以至於一些物理學家認為是它決定了時間的箭頭。
但是同樣的規則並不一定適用於量子系統。去年年末，在一篇名為《用量子相關逆轉時間的熱力學箭頭》的論文中[2]，物理學家通過實驗指出，在一定的條件下，熱量會自發地從一個冷的量子物體流向一個較熱的量子物體。實驗強調了量子熱力學領域正在探索的信息、熵和能量之間的密切關係。
在實驗中，研究人員使用了由一個碳原子、一個氫原子和三個氯原子組成的氯仿分子作為實驗對象，接著再生成一個磁場來對準兩個量子粒子或「量子比特」——碳核和氫核——的核自旋。這導致原子核變得相互聯繫或相關，使它們成為一個單一的、不可分離的雙量子比特系統的量子態。
正是這種相關性使那些令人困惑的行為成為可能。
（A）當兩個系統不相關時，熱量從較熱的核自旋流向較冷的核自旋，與之對應的是時間的標準熱力學箭頭。對於初始自旋具有量子相關性的系統來說，熱量會自發地從較冷的自旋轉移到較熱的自旋，時間的箭頭在這裡發生逆轉。（B）實驗中使用的磁力計。（C）導致部分熱化過程的實驗脈衝序列。| 圖片來源：K. Micadei et. al
傳統上，熵衡量的是一個系統可能存在的不同配置的數量。在一個經典系統中，系統的熵等於每個部分熵的總和。
而在量子世界中，熵會受到相關性的影響。一個雙量子比特系統可以處於四種可能狀態（00，01，10，11）中的其中一種，並且它的熵由處於這些狀態中的每一個中的概率來定義。通過比較單個量子比特系統的熵和相關係統的熵，研究人員就可以測量出相關量。
實驗始於兩個強相關的粒子，隨著實驗的進行，這些粒子開始逐漸相互分離，導致相關性減弱——這意味著單個熵的總量降低了。
如果總熵在一個規則的、不相關的系統中突然下降，那將違反熱力學第二定律。但在這裡，研究人員將相關性考慮在內。相關性的弱化就類似於燃料將熱量從較冷的物體驅動到較熱的物體。冷的量子比特系統越來越冷，熱的量子比特系統越來越熱。換句話說，就是熱量從冷流向熱。這樣的情況出現是由相關性和熵之間的平衡導致的。
我們可以說，至少在這個孤立系統中，這一操作有效地逆轉了時間的箭頭。因為時間的熱力學箭頭依賴於一個封閉系統的熵只能增加或保持不變，但絕不減少的概念。因此說實驗室中創建的這個熵減少的孤立系統，使時間的箭頭指向了相反的方向。
從某種意義上，實驗的結果表明了「時間的箭頭」不是一個絕對概念，而是相對的，因為它強烈地依賴於初始條件的選擇。之前有人對這種效應做出過預測，但在物理系統中出現逆轉還是第一次實現。
如何逆轉時間的熱力學箭頭：根據熱力學第二定律，熱量總是從高溫物體流向低溫物體，因為這會增加系統的熵（或無序）。而最近的一個實驗表明，量子相關性似乎可以違反這一原理。| 圖片來源：Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine
雖然目前的實驗無法讓我們更接近建造一個時間機器，但它對現實世界可能有著重要的影響。例如有的物理學家想用類似的效應來創造效率非常高的量子熱泵。宏觀尺度下的量子熱機提供的機會將可能比微觀版本要大得多。
除此之外，這項研究也會影響對宇宙起源的思考。在宇宙學中，一個長久以來困擾我們的難題就是為什麼宇宙始於一個如此低熵的狀態，使得熵能在整個宇宙歷史中持續增加。通過熵與量子糾纏的聯繫，或許能對宇宙時間箭頭的理解帶來更具有啟發性的洞見。
編譯：魔理郎
參考資料：
[1] https://www.newyorker.com/tech/elements/albert-einsteins-sci-fi-stories
[2] https://arxiv.org/pdf/1711.03323.pdf
[3] https://www.npr.org/sections/13.7/2018/04/03/599122774/time-travel-with-your-fridge
[4] https://www.quantamagazine.org/quantum-correlations-reverse-thermodynamic-arrow-of-time-20180402/
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