科學家逆轉了時間之箭？

」時間之箭「的起源之謎一直是科學中一個基本大問題。在統計物理學的框架內，這個問題與熱力學第二定律密不可分。根據熱力學第二定律，時間箭頭只有一個方向——從過去到未來。這就提出了一個問題，即是否有可能發展出繞開時間不可逆性的方法？如果有可能，是否可以實際執行這些方法？

最近，莫斯科物理技術學院（MIPT）的研究人員與其合作者在《科學報告》發表的論文中宣稱，他們在實驗中將量子計算機的狀態倒流回幾分之一秒前；同時，他們還計算了在空無的星際空間中，電子自發回到它最近的過去的概率。論文的第一作者Gordey Lesovik表示，在這篇論文中「我們人為地創造了一種狀態，它朝著與熱力學時間箭頭相反的方向演化。「

1. 熱力學第二定律

是什麼讓過去有別於未來？其實對於大多數物理學定律而言，未來和過去並沒有什麼分別。比如說，讓兩個相同的撞球相互碰撞並來回反彈，然後用攝像機記錄下這個事件，接著將錄像倒過來播放，我們是無法看出錄像被修改過的。原本的過程與倒轉後的過程看起來都是合理的，描述它們的方程也是相同的。撞球似乎違反了我們對於時間的直覺感知。

然而，如果用白球撞擊一些被碼放成三角形的球，這些球會向各個方向散開。這時，我們可以輕易地區分真實場景和反向回放的場景。的確，在現實世界裡，一件事情隨時間向前推移的發展與時間倒轉時是不同的，這種不同體現在許多方面，比如熵會增加。熱力學第二定律的告訴我們：一個孤立的系統要麼保持靜止，要麼朝著混沌而非有序的狀態演化。

大多數物理學定律並不會阻止滾動的撞球重新聚集成規則的三角形，也不會阻止噴發的火山熔岩重新流回地球內部。但我們從來沒有看到這些事情發生，因為這是要讓一個孤立的系統在沒有任何外部干預的情況下演化成一個更有序的狀態，這就違反了熱力學第二定律。這個定律的性質還沒有得到充分的解釋，但研究人員在理解其背後的基本原理方面已經取得了很大進展。

2. 自發的「時間逆轉」？

時間有可能自發地「逆轉」嗎？MIPT的研究人員決定檢驗一下，單個粒子是否有可能在不到一秒的短暫時間內自發地逆轉。他們的研究對象是空蕩蕩的星際空間中的一個孤立電子。

這項研究的共同作者Andrey Lebedev說：「假設在我們開始觀察電子時，它是局域的，也就是說，我們對電子在空間中的位置很確定。雖然量子力學定律使我們無法絕對精確地知道電子的位置，但我們可以大概勾勒出電子所在的一塊小區域。」

他們用薛定諤方程描述電子狀態的演化。雖然薛定諤方程並不區分過去和未來，但包含電子的空間區域會很快地擴展開來。也就是說，系統會變得更加混亂，電子位置的不確定性會不斷增加。這就像是熱力學第二定律下的宏觀系統（如撞球）的無序程度會增加一樣。

論文的另一位作者是來自美國阿貢國家實驗室的Valerii Vinokur，他說：「薛定諤方程是可逆的。從數學上講，這意味著在復共軛變換下，這個方程可以描述一個『模糊』的電子，能夠在相同的時間內返回到那一小塊空間區域，重新局域化。」雖然我們沒有在自然界中觀察到這種現象，但由於在宇宙中瀰漫著微波背景的隨機漲落，因此理論上這是有可能發生的。

研究小組開始計算，能觀測到一個電子在不到一秒的時間內擴展開來（變模糊）後，再自發定位（返回到不久前所在的區域）的可能性是多少。結果表明，即使花上整個宇宙的壽命（138億年）來觀察100億個被重新定位的電子，這種電子狀態的反向演化也只會發生一次。即使那樣，電子也只能回到不超過百億分之一秒的過去。

撞球、火山等宏觀現象顯然要在更大的時間尺度內展開，並且它們包含著數量驚人的電子和其他粒子。因此，我們從來不會看到老人重煥青春，或者墨跡從紙上消失。

3. 實驗結果

在實驗中，研究人員通過一個「四階段」實驗來「逆轉時間」，他們觀察的不是電子，而是由兩個或三個超導量子比特構成的量子計算機的狀態。

實驗的四個階段：有序化、退化、時間逆轉、重新生成。| 圖片來源：tsarcyanide/MIPT Press Office

他們發現，在85%的情況下，兩個量子比特的量子計算機確實回到了初始狀態。當涉及到三個量子比特時，就會產生更多錯誤，最終只有大約50%的成功率。他們稱，這些錯誤是由實際量子計算機的缺陷造成的，隨著人們設計出更加複雜的設備，錯誤率或許會降低。

論文的第一作者Gordey Lesovik說：「這裡使用的時間逆轉演算法可以用來測試為量子計算機而編寫的程序，還能消除噪音和錯誤。」

4. 時間真的被逆轉了嗎？

研究結果一經報道，便引發了巨大的熱度。在外媒大肆渲染「科學家運用量子計算機逆轉了時間」的同時，一些物理學家為此感到擔憂與不快，因為他們認為，科學家並沒有真的實現「時間逆轉」這一壯舉。

為什麼說時間並沒有被逆轉呢？如果將錄像倒放，我們或許能看到蒸汽流回茶壺，一堆破碎的瓦片自動組裝成茶杯——看起來像是「時光倒流」了。這篇論文所描述的，正是這種反向運行視頻的量子計算版本。批評者稱，新論文所描述的技術的確對測試量子計算機程序有用，但它遠沒有「時間機器」那樣吸引眼球。

參考鏈接：

https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-03/miop-prt031119.php

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！