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时间被逆转?美俄科学家联手突破物理定律,开启物理学新大门

2020/6/24 0:15:19 来源:原创 浏览:

根据现代宇宙学的定义,宇宙是时间和空间的统称。或者说,时间和空间一起,构成了我们的宇宙。

不过,虽然同是宇宙的组成部分,空间和时间不一样,因为空间可以向前也可以向后,但时间却只有一个方向,那就是向前,科学家们称之为“时间之箭”。

热力学第二定律

时间不可逆的表现之一,就在于热力学第二定律,即所谓的熵增原理。它告诉我们,随着时间的推移,温度会自发从较暖的物体向较冷的物体转移,或者说得更广义一些,能量总是从更密集处转移或者扩散出去

这个原理在生活中随处可见:接一杯热水,过一会它就变凉了;一块豆腐掉在地上,一下子就会碎掉;车子的轮胎如果漏了一个洞,里面的气体很快就会散逸到空气中;以及当一个人说自己发明了第二类永动机的时候,别人会觉得他脑子坏掉了……这些都是热力学第二定律的体现。

(图片说明:热咖啡放在桌上很快就会凉,正是热力学第二定律的体现)

同样的,这也可以解释为什么你清楚地记得刚才吃过什么食物,却想不起来明年今天你会吃什么。莫斯科物理技术学院的量子物理学家Gordey Lesovik解释说:“这个定律与时间之箭的概念密切相关,它指出了时间从过去到未来的单向性。”

不过,最近的研究表明,虽然我们在宏观世界里不太可能让时间逆转,让一个系统的熵自发地减少,但是在量子领域,它也未必是牢不可破的。在电子的身上,科学家们发现了一些门道。为了解释自己发现的新现象,他们举了一个例子。

台球讲述的量子力学原理

假设你在打台球,如果你单纯地看白球和其他球撞击的过程,会发现即使这个过程翻转过来,也没有什么不合理的地方,因为这样的过程仍然遵从动量守恒等物理定律。但另一方面,如果你不是单纯地看撞击过程,而是看目标球落袋的过程,就会发现它的逆转非常不合理。当你看到一颗球竟然从网袋中跳出来回到台球桌上,或者散落的台球回到三角架,你肯定以为自己眼睛坏了。

但电子不一样,它并不是牢牢占据着某个空间。你可以清楚地看见每一颗台球在哪个位置,但即使你有足够强大的显微镜,却依然无法明确看到电子在哪里。我们只知道电子可能出现在哪个位置,以及它出现在某个位置的概率有多大,通过薛定谔方程,我们就可以对此进行描述。

(图片说明:薛定谔方程,可以用于描述微观粒子的运动,我知道你看不懂,不过没关系,不影响对本文的理解)

如果你对此感觉难以理解,我们还是用台球举例子。假设整个房间一片漆黑,但是你手中的球杆和母球是发光的,你可以看见。那么,当你出杆的时候,母球撞击在其他球上。如果这些球都是电子,那么通过薛定谔方程,你可以知道它们都在以不同的速度在不同的位置乱跑。你可以用手抓住某个球,这样你就知道它在哪了,但是却不知道它刚才跑得有多快;你也可以用手轻轻感受它略过你手指的时间长短判断它跑得有多快,但此时你又不知道它去哪了,这就是所谓的测不准原理

但是,我们还可以利用一些小技巧。就在球掠过你手指的一瞬间,你虽然不知道它确切的位置,却能够知道它至少是在你手的附近快速移动。从某种意义上来讲,薛定谔方程也可以进行类似的预言。而随着时间的推移,这些粒子可能出现的位置以及拥有的速度就会有更大的变化和更多的可能。

(图片说明:大名鼎鼎的薛定谔,大家最了解的是他的猫,但他最大的贡献其实是薛定谔方程)

可逆的薛定谔方程

美国阿贡国家实验室的材料科学家Valerii Vinokur却告诉我们:“可是,薛定谔方程是可逆的。从数学的角度来说,这意味着通过一种叫做复共轭变换的方法,这个方程就可以描述如何将一个‘乱动’的电子定位到空间的某一个小区域内。”用台球的例子来形容,这就好比这些球不再到处乱跑,而是回到了最初的位置。

理论上来讲,这个过程是可以自发进行的。但是实际上,如果有一个100亿电子组成的“台球桌”,从宇宙大爆炸到现在也才只有一个电子可以发生这样的变换。显然,科学家们不可能眼巴巴地这么看着。所以,他们利用量子计算机,模拟了这样的“台球桌”,构建了他们的“时间机器”。

(图片说明:该团队设计的用于进行复共轭变换的电路)

在这台机器里,每一个量子比特(qubit),代表着一个电子,也就是对应着“台球桌上的球”。当这个模型开始运行的时候,这些量子比特就会开始运动,产生不同的运动结果。不过,科学家们通过控制量子计算机的的一些设定条件,将它们的运动模式进行限定,约束在可以逆转薛定谔方程的范围内。

接下来,他们开始运行计算机。果然,就像散落在桌上的台球自发回到了三角架里一样,这些量子比特也果然逆转了薛定谔方程,回到了最初的状态。论文中指出,在共计8192次的只有两个量子比特的模型中,85%都实现了逆转。

(图片说明:薛定谔方程被逆转了,可以看出左右两张波函数的图像是高度对称的)

就这样,“时间之箭”被逆转了,在人类的操控下,电子可以反向运动,恢复到初始状态。这是对热力学第二定律的一次巨大挑战,恐怕描述了热力学第二定律的克劳修斯以及开尔文爵士也没有想到,自己的理论竟然在一百多年后遇到这么一个坎。

实际上,这已经不是这支团队第一次挑战热力学第二定律了。早在几年前,他们就曾经通过量子纠缠的手段,对粒子进行反复的加热和降温,在量子级别上几乎打造了一个第二类永动机。

(图片说明:该实验的统计结果,在只有2个量子比特的模型中有85.3%实现了逆转,而有3个量子比特的模型中也有49.2%逆转了薛定谔方程)

总结

不过,即便如此,我们也不能说时间就真的被逆转了。这些科学家也指出:量子级别上的逆转并不意味着我们就能回到2020年以前或者更久远的时刻,相反的,它或许可以告诉我们时间是如何流逝的,并且向我们解释为何时间不可逆


但是,谁知道呢,当初也没有人能想象热力学第二定律可以被打破。也许我们认为的不可能,只是科技还不够先进。至于时间到底能不能逆转,那就让时间自己来回答吧。

看看网友怎么说

用户944444258821:时间不可逆是一个定理

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