物理學家在實驗中實現時間倒流
有些鐵律是牢不可破的，但在量子世界卻未必。
Nocturne in G Minor, Op. 37, No. 1: Nocturne No. 11
Classic for You: Chopin: Nocturne Op. 9, 15, 27, 32, 37
Peter Schmalfuss
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有些鐵律是牢不可破的，比如熱力學第二定律。熱力學第二定律描述了熵——用以衡量無序程度的概念——在一個孤立的系統內是不會下降的。破碎的玻璃，咖啡上消散的奶油，被炒熟的雞蛋——永遠都不會恢復原樣。這個定律在我們的物理現實中是如此基礎，以致於一些物理學家相信，它和時間的流逝方向有關。
但是在量子系統中，卻存在著令人迷惑不解的例外。一個科研小組最近就成功地讓熱量自發地從一個較冷的量子物體，傳導給了一個較熱的量子物體。這個實驗讓我們看到，在新興的量子熱力學領域，信息、熵和能量之間存在著非常緊密的聯繫。
這個巴西科研小組的實驗對象，是一個包含一個碳原子、一個氫原子和三個氯原子的分子。他們製造了一個磁場，讓兩個量子粒子——或稱「量子位」——也就是這個分子中的碳和氫原子核自旋方向保持一致。這兩個原子核由此發生關聯，成為一個單一的、不可分離的整體，一種包含了兩個量子位的量子狀態。
在這樣的關聯狀態下，一種奇特的現象發生了。
傳統意義上的熵，衡量的是一個系統所能包含的各個結構的無序程度。在一個經典的系統內，系統的熵等於系統內各部分熵的總和。
但在量子世界裡，關聯會影響到熵。一個兩個量子位的系統，其狀態可能是四種狀態中的一種——00?01?10或是11——而其熵是由這四種狀態出現在它身上的可能性決定的。通過將單一量子位的熵和關聯繫統的熵相比較，科研人員能夠測出這種關聯性的強弱。
實驗剛開始時，這兩個粒子的關聯性非常強。而隨著實驗的推進，粒子間的關聯性逐漸變弱。而關聯性變弱，意味著這個系統的總熵開始下降。
在普通的非關聯繫統中，總熵不可能下降，因為這違反熱力學第二定律。但這是一個量子系統，其關聯性的變弱表明，有熱量從較冷的量子物體傳導給了較熱的量子物體。較冷的量子位變得更冷，較熱的量子位變得更熱。而這背後的原因，可能是在量子世界裡，關聯性和熵之間發生了某種交換。
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Lucy Reading-Ikkanda / Quanta Magazine
不僅如此，這個實驗實際上還成功地使時間流逝的方向發生了反轉，至少在這個孤立的系統內是這樣。熱力學認為封閉系統內的熵只可能上升，或保持不變，不可能下降。這是它定義時間流逝方向的方法。因此當科研人員在實驗室中，使一個孤立系統的總熵下降，實際上就是在讓時間朝著相反的方向流逝。
這個實驗的結果表明，時間的流逝方向與初始條件有關。因此它是一個相對概念。
這是科學家首次在物理系統中實現時間流逝方向的反轉。但在此前有過多次嘗試。2012年，有科學家曾經試圖讓水波沿著原路返回到它們的出發地。2016年，有科研小組利用「量子點」的概念，驗證了一個通用方程，可以用來區分時間的方向。
我們雖還不能利用這一系列研究製造出時間機器，但它們對現實依然具有非常重要的啟示意義。比如有物理學家正在探索利用相似的效應，研製擁有超高效率的量子熱泵。
與此同時，我們還能通過這樣的研究，更加深入地思考宇宙的起源之謎。宇宙學中的一個謎團是，為何宇宙起源於低熵，且一直在朝著高熵發展？為什麼時間會朝著這樣一個方向流逝？將熵與量子現象相聯繫，或許可以讓我們換一條思路。
參考：http://abstractions.nautil.us/article/302/quantum-correlations-reverse-thermodynamic-arrow-of-time
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