他們希望這能幫助我們搞清楚“時(shí)間箭頭”（the arrow of time）的來(lái)源，即時(shí)間為何總是從過(guò)去流向未來(lái)。

　　一個(gè)物理學(xué)家國(guó)際團(tuán)隊(duì)最近測(cè)出了一個(gè)微觀量子系統(tǒng)的無(wú)序性，即所謂的“熵”（entropy）。他們希望這能幫助我們搞清楚“時(shí)間箭頭”（the arrow of time）的來(lái)源，即時(shí)間為何總是從過(guò)去流向未來(lái)。在實(shí)驗(yàn)中，他們用一個(gè)振蕩的磁場(chǎng)不停翻轉(zhuǎn)碳原子的自旋，并將時(shí)間箭頭的產(chǎn)生歸結(jié)于兩個(gè)不同原子自旋態(tài)之 間的量子漲落。

　　“時(shí)間是有方向的，這就是為什么我們記得昨天發(fā)生了什么，卻不知道明天會(huì)發(fā)生什么?！眻F(tuán)隊(duì)成員之一，在巴西ABC聯(lián)邦大學(xué)研究量子信息的物理學(xué)家Roberto Serra說(shuō)。他認(rèn)為，從最根本的層面上講，時(shí)間的不對(duì)稱(chēng)性與量子漲落有關(guān)。

　　用振蕩磁場(chǎng)翻轉(zhuǎn)碳原子。圖片來(lái)源：Physics World

　　破鏡難重圓

　　在日常世界里，我們通常都把時(shí)間箭頭的存在看做是理所當(dāng)然的事。我們會(huì)看到雞蛋被打碎，但不會(huì)看到蛋清、蛋黃和蛋殼重新聚合到一起形成完整的蛋。雖然在 我們看來(lái)，自然定律顯然是不可逆的，但物理學(xué)卻沒(méi)有任何機(jī)制會(huì)阻止這樣的事情發(fā)生。只看動(dòng)力學(xué)方程的話(huà)，雞蛋碎掉的過(guò)程完全是可逆的。不僅完整的雞蛋能被 打碎，碎了的雞蛋也能重新合上。

　　然而，熵（entropy）這個(gè)概念給我們提供了一扇了解時(shí)間箭頭的窗口。大多數(shù)雞蛋看起來(lái)都一樣， 但打碎的雞蛋可以呈現(xiàn)出多種多樣的形狀：它可以是被一下敲開(kāi)并攪拌均勻的，也可以是碎在地上、濺得到處都是，而正是因?yàn)闊o(wú)序態(tài)的數(shù)目遠(yuǎn)多于有序態(tài)，系統(tǒng)才 更容易向無(wú)序態(tài)發(fā)展。

　　這種從概率角度進(jìn)行的推理就是熱力學(xué)第二定律的核心，它認(rèn)為封閉系統(tǒng)的熵永遠(yuǎn)是隨著時(shí)間增加的。根據(jù)第二定律，時(shí)間不可能倒回過(guò)去，因?yàn)檫@樣會(huì)導(dǎo)致熵減少。對(duì)于由大量互相作用的粒子所組成的復(fù)雜系統(tǒng)，如雞蛋而言，這個(gè)論證很有道理，但對(duì)于只包含一個(gè)粒子的系統(tǒng)呢？

　　未明領(lǐng)域

　　Serra和同事通過(guò)測(cè)量液態(tài)三氯甲烷樣本中全體碳13原子的熵，深入探索了這一含混不清的領(lǐng)域。盡管樣品包含了約1萬(wàn)億個(gè)三氯甲烷分子，但其分子具有不發(fā)生相互作用的量子特性，這意味著相當(dāng)于在同一個(gè)碳原子身上重復(fù)了很多次實(shí)驗(yàn)。

　　Serra與同事們給樣品加了一個(gè)振蕩的外磁場(chǎng)，它會(huì)不停地翻轉(zhuǎn)碳原子的自旋態(tài)，即在向上和向下之間來(lái)回轉(zhuǎn)換。研究人員慢慢提高磁場(chǎng)的振蕩速度以提高自旋翻轉(zhuǎn)的頻率，隨后又慢慢降到原來(lái)的值。

　　如果系統(tǒng)是可逆的，那么到最后碳原子自旋態(tài)的分布就會(huì)與初始情況相同。然而，Serra和同事們通過(guò)核磁共振和量子態(tài)斷層攝影術(shù)發(fā)現(xiàn)最終碳原子自旋態(tài)的無(wú)序性比初始狀況增加了。由于這個(gè)系統(tǒng)是量子性的，這就等價(jià)于單個(gè)碳原子的熵增加了。

　　研究者表示，單個(gè)原子的熵之所以增加，是因?yàn)樗鼈兊淖孕黄确D(zhuǎn)的速度過(guò)快。由于無(wú)法跟上外磁場(chǎng)的振蕩速度，原子只能開(kāi)始隨機(jī)漲落，就像舞蹈初學(xué)者跟不上快節(jié)奏的音樂(lè)一樣。“跳舞的時(shí)候，慢節(jié)奏的音樂(lè)總是比快節(jié)奏的音樂(lè)簡(jiǎn)單一些?！盨erra說(shuō)。

　　事情還沒(méi)完

　　在美國(guó)得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校同樣研究量子系統(tǒng)不可逆性的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家Mark Raizen說(shuō)，這個(gè)研究組的確觀察到了量子系統(tǒng)的時(shí)間箭頭。但他也強(qiáng)調(diào)，他們并沒(méi)有觀察到時(shí)間箭頭是如何“產(chǎn)生”的?！斑@一研究并沒(méi)有讓我們完全理解時(shí) 間箭頭，還有許多問(wèn)題有待解決。”他說(shuō)。

　　這些問(wèn)題中的一個(gè)，就是時(shí)間箭頭與量子糾纏之間有何關(guān)系。量子糾纏是指兩個(gè)粒子之間的即時(shí)相 互關(guān)聯(lián)，甚至在兩個(gè)粒子相隔距離遙遠(yuǎn)的時(shí)候也依然存在。這一概念誕生已經(jīng)將近三十年，最近熱度又有所增長(zhǎng)。然而，時(shí)間箭頭與量子糾纏之間的關(guān)聯(lián)與熵的增加 關(guān)系不大，更多的是與量子信息不可阻擋的擴(kuò)散有關(guān)。

　　不過(guò)，Serra相信通過(guò)更好地駕馭量子糾纏，可以在微觀系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)時(shí)間箭頭的逆轉(zhuǎn)。“我們正在研究此事，”他說(shuō)，“在下一代的量子熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)中，我們或許就能一探究竟了。”