1. 首页
  2. 走进科学

美俄物理学家在极小尺度上扭转了时间之矢

美俄物理学家在极小尺度上扭转了时间之矢

我们怎么知道时间是有方向的?

如果播放一段视频,画面里有个杯子落到地上,摔成了碎片。没有人会觉得这一过程有什么不自然的问题。但是,如果看到地上四散的玻璃碎片跃起,拼成了一个完整的玻璃杯,我们都会意识到,这段视频是倒放的!

上面简单的思想实验其实揭示了我们认知时间的方式,而这一方式本质上是人类对热力学第二定律的朴素经验——就算完全不了解热力学第二定律的人,因为世界上的万事万物都受其制约,所以通过身边的现象,自然会对这一基本物理学定律有所感知。

但有个更加基本的问题,热力学第二定律并未对物质做出限制,它似乎只是一种对趋势的陈述。如果把装有装有氮气和氧气的容器连通,最终氮气和氧气会相当均匀地混合在一起。这是热力学第二定律预示的结果。但,如果考察单个氧气分子,并没有什么神秘的力量迫使它遵循热力学第二定律,它仅仅是遵照一般的动力学定律,运动、碰撞、改变路径……全部过程都是可逆的,每个分子也都是如此,但是在整体上,最终实现了热力学第二定律所指向的结果。而这种确定的方向性——氮气和氧气会混合到一起,但混合到一起的氮氧,几乎从未自发地分离——我们通常就认为是时间的方向!

换而言之,既然每个微小分子的运动都是可逆的,而全部分子都反向运动的话——就相当于碎玻璃拼回玻璃杯——违背了热力学第二定律,等同于在局部逆转了时间。

就像经典力学中的运动定律一样,薛定谔方程可以刻画量子的运动,只不过随着时间的流逝,粒子位置和速度的不确定性不断扩大。

“但是,薛定谔方程也是可逆的。”美国阿贡国家实验室的材料科学家Valerii Vinokur说,“从数学上讲,这意味着在某种被称为复共轭的变换下,该方程可以描述粒子信息确定性增加的过程。”

从理论上讲,没有什么可以阻止它自发地发生。但是,您需要每秒凝视100亿个电子,以及等待现有宇宙生命周期那么长的时间,才能看到它发生一次。

美国和俄罗斯组成的科学家团队显然没有那么强的耐心,所以他们将量子计算机中未确定的粒子状态看做是量子的运动信息,并将计算机的某些功能巧妙比作“时间机器”。

通过调整计算机设置中的条件,可以有效地突破薛定谔方程的限制。达成了逆转时间之矢的效果。

在应用方面,他们用来操纵薛定谔方程反转的算法可以帮助提高量子计算机的精度。

同时,这支团队不是第一次制造出突破热力学定律的效果。几年前,他们缠结了一些颗粒,并设法对其进行加热和冷却,从而使其表现得像永动机一样。

在量子尺度上突破物理定律极限的方法可能有助于我们更好地理解现有的宇宙。

这项研究发表在《科学报告》上。

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注