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时光为何不能倒流?量子涨落为它规定方向


2015/11/14  编辑:admin 来源:本站整理

一个物理学家国际团队最近测出了一个微观量子系统system的无序性, 即所谓的“熵”(entropy)。 他们真的希望这能协助我们我自己搞清楚“时间箭头”(the arrow of time)的来源, 即时间为何总是从过去流向未来。 就在实验中, 他们用一个振荡的磁场不停翻转碳原子的自旋, 并将时间箭头的产生归结于两个不同原子自旋态之间的量子涨落。

“时间是有方向的, 这就是为什么我们记得昨天发生了什么, 却不知道明天会发生什么。 ”团队成员之一, 在巴西ABC联邦大学研究量子信息的物理学家Roberto Serra说。 他认为, 从最根本的层面上讲, 时间的不对称性与量子涨落有关联。

 时光为何不能够倒流?量子涨落为它规定方向

用振荡磁场翻转碳原子。 图片PHOTO来源:Physics World

破镜难重圆

在日常世界里, 我们通常都把时间箭头的存在看做是理所当然的事。 我们会看到鸡蛋被打碎, 但将不会看到蛋清、蛋黄和蛋壳重新聚合到一起形成完整的蛋。 虽然在我们看来, 自然定律显然是不可逆的, 但物理学却没有任意一个机制会阻止这样的事情发生。 只看动力学方程的话, 鸡蛋碎掉的过程完全是可逆的。 不只完整的鸡蛋能被打碎, 碎了的鸡蛋也能重新合上。

然而, 熵(entropy)这个概念给我们提供了一扇了解时间箭头的窗口。 大多数鸡蛋看起来都一样, 但打碎的鸡蛋可以能够呈现出多种多样的形状:它可以是被一下敲开并搅拌均匀的, 也可以是碎在地上、溅得到处都是, 而正是因为无序态的数目远多于有序态, 系统才更容易向无序态发展。

这种从概率角度来进行的推理就是热力学第二定律的核心, 它认为封闭系统的熵永远是随着时间增加的。 根据记录第二定律, 时间不有可能倒回过去, 因为这样会导致熵减少。 对于由大量互相作用的粒子所组成的复杂系统, 如鸡蛋而言, 这个论证很有道理, 但对于只包含一个粒子的系统呢?

未明领域

Serra和同事可以通过测量液态三氯甲烷样本中全体碳13原子的熵, 深入探索了这一含混不清的领域。 尽管样品包含了约1万亿个三氯甲烷分子, 但其分子具有不发生互相一起作用的量子特性, 这意味着相当于在同一个个碳原子身上重复了很多次实验。

Serra与同事们给样品加了一个振荡的外磁场, 它会不停地翻转碳原子的自旋态, 即在向上和向下之间来回转换。 研究人员慢慢提高磁场的振荡速度以提高自旋翻转的频率, 随后又慢慢降到本来的值。

如果系统是可逆的, 那么到最后碳原子自旋态的分布就一定会与初始情况相同。 然而, Serra和同事们通过核磁共振和量子态断层摄影术发现最后碳原子自旋态的无序性比初始状况增加了。 由于这个系统是量子性的, 这就等价于单个碳原子的熵增加了。

研究者表示, 单个原子的熵之所以增加, 是因为它们的自旋被迫翻转的速度过快。 由于再也不能够跟上外磁场的振荡速度, 原子只能现在开始随机涨落, 就像舞蹈初学者跟不上快节奏的音乐一样。 “跳舞的时候, 慢节奏的音乐总是比快节奏的音乐不复杂一些。 ”Serra说。

事情还没完

在美国(美利坚和众国)得克萨斯大学奥斯汀分校同样研究量子系统不可逆性的实验物理学家Mark Raizen说, 这个研究组的确观察到了量子系统的时间箭头。 但他也强调, 他们并没有观察到时间箭头是怎么才能“产生”的。 “这一研究并没有让我们完全理解时间箭头, 还是有许多问题有待解决处理。 ”他说。

这些问题中的一个, 就是时间箭头与量子纠缠之间有何关系。 量子纠缠是指两个粒子之间的即时相互关联, 甚至在两个粒子相隔距离遥远的时候也依然存在。 这一概念诞生已经将近三十年, 最近热度又有所增长。 然而, 时间箭头与量子纠缠之间的关联与熵的增加关系不大, 更多的是与量子信息不可阻挡的扩散有关。

不过, Serra相信通过更好地驾驭量子纠缠, 可以在微观系统中实现时间箭头的逆转。 “我们正在研究此事, ”他说, “在下一代的量子热力学实验中, 我们或许就能一探究竟了。 ”

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