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今天13:13
（文/ Natalie Wolchover）香茶漸冷,，老宅頹屺,，鏡片碎裂，恒星熄滅,，整個宇宙似乎注定要一步步邁向名為熱力學(xué)平衡的單調(diào)而混沌的狀態(tài),。天文學(xué)家兼哲學(xué)家阿瑟·愛丁頓爵士（Arthur Eddington）在1927年將這種能量的逐漸耗散,，形容為貫穿在我們眼前的一支永不復(fù)返的“時間之箭”,。 但是讓幾代物理學(xué)家感到困惑不解的是,，這支時間之箭看上去并非基本物理學(xué)定律的自然結(jié)果，因?yàn)樵诨径蓪哟紊?，物理學(xué)都是時間反演不變的,。根據(jù)這些定律，假如你能追蹤宇宙中所有粒子的路徑,，那么似乎只要簡單逆轉(zhuǎn)它們的運(yùn)動,，能量就會從耗散變成集聚：冷茗回溫，廣廈再起,，破鏡重圓,，星光再現(xiàn)。 “在經(jīng)典物理學(xué)中,，我們一直很糾結(jié),，”英國布里斯托大學(xué)的物理學(xué)教授桑杜·波佩斯庫（Sandu Popescu）解釋道，“如果掌握的信息更多一些,，我能不能逆轉(zhuǎn)這一切,，讓碎片中的分子重新組合成一面完整的鏡子呢？為什么這跟‘我’有關(guān)系？” 當(dāng)然,，接下來他說道,，時間之箭不會被人類的無知與否所左右。但自從19世紀(jì)50年代熱力學(xué)誕生,，直到現(xiàn)在,，我們所知的計(jì)算能量耗散的方式就只有一種,，即構(gòu)建粒子所有可能軌道的統(tǒng)計(jì)分布,，然后靜待其演化，看著我們對初始狀態(tài)的無知將一切涂抹平淡,。 現(xiàn)在,，物理學(xué)家正在揭開時間之箭的一個更為基本的起源：按照這種說法，能量耗散和物態(tài)平衡,，都是因?yàn)榛玖Ｗ釉谙嗷プ饔脮r變得更為膠著——這種奇怪的現(xiàn)象被稱為“量子糾纏”,。 “我們終于能夠理解為何一杯熱茶會慢慢冷卻到室溫了，”布里斯托大學(xué)的物理學(xué)家托尼·肖特（Tony Short）說道,，“那是因?yàn)闊岵璧臓顟B(tài)和室溫狀態(tài)之間建立起了糾纏,。” 波佩斯庫,、肖特及其同事諾厄·林登（Noah Linden）和安德烈亞斯·溫特（Andreas Winter）曾在2009年的《物理學(xué)評論E》上發(fā)表過一篇文章,，提出只要和環(huán)境發(fā)生量子糾纏，物體就可以經(jīng)過無限長的時間達(dá)到熱力學(xué)平衡,，或者說達(dá)到能量均勻分布的狀態(tài),。德國比勒費(fèi)爾德大學(xué)的彼得·里曼（Peter Riemann）在他們之前幾個月也在《物理評論快報(bào)》上發(fā)表了類似結(jié)果。肖特和他人合作在2012年改進(jìn)了之前的結(jié)論,，讓糾纏只需要有限時間就可以產(chǎn)生熱平衡,。而在2014年1月，這兩個獨(dú)立研究組更進(jìn)一步,，他們在科學(xué)預(yù)印本文庫arXiv.org上發(fā)布的論文表明,，大多數(shù)物理系統(tǒng)都能通過糾纏迅速到達(dá)熱平衡狀態(tài)，具體時間與系統(tǒng)的尺度成正比,?！耙屵@個機(jī)制與實(shí)際物理世界相符，整個過程所需的時間尺度必須合適才行,，”肖特對此評論道,。
熱茶——以及其他一切事物——朝向熱平衡演化的趨勢是“非常直觀的”,，日內(nèi)瓦大學(xué)的物理學(xué)家尼古拉斯·布倫納（Nicolas Brunner）評論道，“但要說解釋,，這還是物理學(xué)家頭一次利用微觀理論（量子理論）,，在堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出這個結(jié)果”。 如果上述這些最新研究結(jié)果是正確的,，那么時間之箭的故事就得從量子力學(xué)的一個基本觀點(diǎn)講起,，那就是在最底層，宇宙本質(zhì)上是不確定的,。一個基本粒子的物理性質(zhì)無法具有確定值,，只能用處于各種狀態(tài)的概率來衡量。例如,，在某個時刻,，一個粒子也許有50%的機(jī)會自旋向上，同時也有50%的機(jī)會自旋向下,。一個經(jīng)過北愛爾蘭物理學(xué)家約翰·貝爾（John Bell）實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的原理斷定,，粒子沒有“真正的”狀態(tài)，概率是我們能附加其上的唯一實(shí)在（reality）,。 正是這種量子不確定性造就了糾纏,，而按照最新的那項(xiàng)研究，糾纏又是時間之箭的起源,。 當(dāng)兩個粒子相互作用,，它們就無法再用兩個獨(dú)立的、概率各自演化的狀態(tài)來描述,，也就是不再是兩個“純態(tài)（pure state）”,，取而代之的是一個更為復(fù)雜的概率分布，用來同時描述這兩個粒子構(gòu)成的整體,。它們都成為這個概率分布的一部分,，相互糾纏在一起。這種糾纏會對這兩個粒子施加一些要求,，比如說,，要求它們的自旋取向剛好相反之類。整個系統(tǒng)現(xiàn)在是一個純態(tài),，但是每個單粒子都和它的同伴“攪合”在了一起,。你可以將它們分離以至于相隔以光年記，但這個粒子的自旋仍然會和另一個粒子保持關(guān)聯(lián),，愛因斯坦著名的“幽靈般的超距作用”所指的就是這種特性,。 “糾纏從某種意義上說是量子力學(xué)的精髓,，”布倫納說道,。或者說,，作為定律,，它在亞原子尺度上主宰著粒子的相互作用。糾纏現(xiàn)象是量子計(jì)算,、量子密碼和量子通信的基礎(chǔ),。 糾纏也許可以解釋時間之箭的想法，最初來自30年前的塞思·勞埃德（Seth Lloyd）,，當(dāng)時他還只有23歲,，在英國劍橋大學(xué)哲學(xué)系讀研究生，在那之前他獲得過美國哈佛大學(xué)的物理學(xué)學(xué)位,。勞埃德意識到,，量子不確定性以及這種不確定性在粒子糾纏過程中的不斷擴(kuò)散，能夠替代經(jīng)典物理證明過程中源自觀察的不確定性,，從而成為時間之箭的真正原因,。
勞埃德采用一種抽象的方式來處理量子力學(xué)，將單位信息視為基本構(gòu)成單元,，然后花了幾年時間通過交換01數(shù)據(jù)串來研究粒子演化,。他發(fā)現(xiàn)當(dāng)粒子相互糾纏程度增加時，原本用來描述它們的信息（比如“1”代表自旋向上,，“0”代表自旋向下）會逐漸轉(zhuǎn)變成對所有糾纏粒子的整體描述,。就好像這些粒子逐漸失去了自己獨(dú)立的個體性，淪為一個集體狀態(tài)中的無名兵丁。最終,，關(guān)聯(lián)會包含所有信息,，單個粒子的信息則歸于消滅。勞埃德發(fā)現(xiàn),，一旦到達(dá)這一步,，粒子便進(jìn)入一種平衡狀態(tài)，它們的狀態(tài)不會再經(jīng)歷任何變化,，就像熱茶冷卻到室溫一樣,。 “這個過程中真正關(guān)鍵的是，事物之間的關(guān)聯(lián)變得越發(fā)緊密,，”勞埃德回憶道,，“時間之箭是關(guān)聯(lián)漸增之箭”。 1988年,，勞埃德在他的博士論文中提出了上述想法,，然后就湮沒無聞了。當(dāng)他將結(jié)果投稿至某個期刊時,，被告知“論文中沒有任何物理”,。當(dāng)時量子信息理論還屬于“駭人聽聞”之列，勞埃德感嘆道,，他記得當(dāng)時有物理學(xué)家告訴他,，時間之箭是“只有怪咖或是打發(fā)閑情逸致的諾貝爾獎得主才會去碰的問題”。 “我沮喪到幾乎要去開出租車了,，”勞埃德說,。 之后，量子計(jì)算領(lǐng)域的進(jìn)展讓量子信息理論轉(zhuǎn)而成為物理學(xué)中最炙手可熱的方向之一,。勞埃德現(xiàn)在是美國麻省理工學(xué)院的教授,，被視為量子信息理論的奠基人之一，而他超前的想法在布里斯托大學(xué)的物理學(xué)家手中以更為堅(jiān)實(shí)的形式重獲新生,。研究者普遍認(rèn)為,，新的證明更具一般性，對任何量子系統(tǒng)都適用,。 “勞埃德在博士論文中提出他的想法時,，世界還沒準(zhǔn)備好，”瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院理論物理研究所主任雷納托·倫納（Renato Renner）說,，“沒人理解它,，有時候好想法也需要天時地利人和?！?/p> 2009年,，布里斯托研究組的證明獲得了量子信息理論研究者的回應(yīng),，他們的處理技巧獲得了新的應(yīng)用空間。之后的研究表明,，當(dāng)物體與環(huán)境相互作用時——比如說茶中的粒子與水面上空氣的分子相互碰撞——有關(guān)這些粒子的信息會“向外泄漏,，最終會被整個環(huán)境抹平”，波佩斯庫解釋道,。這種局域信息丟失造成茶的狀態(tài)趨于靜止,，雖然包含這杯茶在內(nèi)的整個房間作為一個純態(tài)仍在繼續(xù)演化。波佩斯庫補(bǔ)充說,，除了一些非常罕見的隨機(jī)漲落,，“茶的狀態(tài)不再隨時間而改變”。
結(jié)果就是,，一杯冷掉的茶不會自發(fā)重新熱起來,。理論上,，當(dāng)房間作為一個純態(tài)演化時,，這杯茶可能會突然脫離與周圍空氣的聯(lián)系，成為一個獨(dú)立的純態(tài),，但是由于各種混合態(tài)的數(shù)目遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過純態(tài),，因此這種情況永遠(yuǎn)也不會發(fā)生——因?yàn)檫@種離奇事件發(fā)生所需要的時間，可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過整個宇宙的壽命,。這種統(tǒng)計(jì)上的不可能性,，給時間之箭披上了不可逆轉(zhuǎn)的外衣?！氨举|(zhì)上而言,，糾纏極大地?cái)U(kuò)展了你的空間，”波佩斯庫解釋說,，“就好像你在一個無限大的公園溜達(dá),，進(jìn)大門時相當(dāng)于遠(yuǎn)離平衡態(tài)，目標(biāo)很小,，不會走錯,，但是走進(jìn)去空間變得異常廣闊，就很容易迷路,，再也別想走回大門口了,?！?/p> 在時間之箭的新版故事中，讓一杯熱茶冷卻到室溫的,，不是我們主觀上的認(rèn)知不足,，而是信息通過量子糾纏逐漸缺失而導(dǎo)致的。房間最終也會和它的外部環(huán)境趨于平衡,，而外部環(huán)境也在慢慢與整個宇宙趨于平衡,。19世紀(jì)的熱力學(xué)大師們將這個過程看作是能量的逐漸耗散導(dǎo)致宇宙整體的熵——或者說無序程度——不斷增加。而今天,，繼承衣缽的勞埃德,、波佩斯庫等人則從不同的角度審視這支時間之箭。在他們看來,，信息不斷變得模糊,，但永遠(yuǎn)不會消失不見，因此他們相信,，盡管某個局域的熵會增加,，但宇宙整體的熵一直維持0值不變。 “宇宙整體是一個純態(tài),，”勞埃德解釋道,，“至于單獨(dú)某個區(qū)域，由于它和宇宙其他部分保持糾纏,，所以是一個混合態(tài),。” 但是,，時間之箭的某些特征仍是未解之謎,。“這些工作對于某一點(diǎn)未置一詞,，那就是為何我們總是從公園大門出發(fā),，”波佩斯庫繼續(xù)用他的公園來打比方，“換言之,，他們沒有解釋為何整個宇宙的初始狀態(tài)是遠(yuǎn)離平衡的,。”他認(rèn)為,，這個問題與大爆炸的本質(zhì)有關(guān),。 盡管最近在計(jì)算平衡過程時間尺度上取得了一些進(jìn)展，但想要用這種方法計(jì)算一杯茶,、一塊玻璃或某個奇異物態(tài)這種特定系統(tǒng)的熱力學(xué)性質(zhì),，仍有很長的路要走（據(jù)說幾位傳統(tǒng)熱力學(xué)家對這種新方法只是略微了解而已）?！皢栴}在于,，要找到這個東西像窗玻璃,，而那個東西像一杯茶的判斷標(biāo)準(zhǔn)，”倫納說,，“在我看來,，這些最新的論文是邁向這個方向的開始，但只是萬里長征的第一步”,。 也有研究者對這種對熱力學(xué)的抽象處理方式表示懷疑,，按照勞埃德的說法，這些人認(rèn)為這種新方法可能連“某個特定可觀測量如何變化這種基本問題”都無法厘清,。但是概念上的進(jìn)步和新的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)已經(jīng)在幫助研究者處理與熱力學(xué)有關(guān)的理論問題了,，比如量子計(jì)算機(jī)的根本極限，甚至宇宙的最終歸宿,。 “我們一直在思考,，如何在量子力學(xué)中挖掘更多的寶藏，”西班牙巴塞羅那光子學(xué)研究所的保羅·斯克雷斯切克（Paul Skryzypczyk）說,，“如果一個系統(tǒng)不處于平衡態(tài),，我們就可以從中獲取功，那究竟能獲取多少有用功呢,？我們能利用這個過程干些什么有趣的事情嗎,？” 肖恩·卡羅爾（Sean Carroll）是美國加州理工大學(xué)的理論宇宙學(xué)專家，他的一本書就以《從永恒到現(xiàn)在：追尋終極時間理論的征程》為名,。眼下他正考慮將這種新的熱力學(xué)形式應(yīng)用到自己對宇宙學(xué)中時間之箭的最新研究中去,。“我對宇宙學(xué)時空中的超長期演化感興趣,，”卡羅爾介紹說,，“在這種尺度下我們其實(shí)無法掌握所有相關(guān)的物理學(xué)定律，因此進(jìn)行某種抽象思考是有意義的,，這也是為什么我發(fā)現(xiàn)這種對量子力學(xué)基礎(chǔ)的處理方式非常有用的原因”。 自勞埃德有關(guān)時間之箭的奇思妙想被忽視以來,，26年的時間過去了,，他很高興目睹自己的想法不僅重獲新生，最近還被用于對黑洞信息悖論的研究,?！拔蚁氍F(xiàn)在大家都意識到我的論文里還是有一點(diǎn)物理的”，他自嘲道,。 更不用說里面還有一點(diǎn)哲學(xué)呢,。 我們的記憶能力只能記住過去而無法前瞻未來，這是時間之箭帶給我們的另一個古老迷思,，現(xiàn)在科學(xué)家認(rèn)為,，這種單向記憶同樣可以從相互作用粒子間的關(guān)聯(lián)構(gòu)建出來,。當(dāng)你閱讀報(bào)紙上的一則新聞，你的大腦就通過到達(dá)眼睛的光子與報(bào)紙關(guān)聯(lián)起來,，從這個時間點(diǎn)開始,，你才能夠記得這則新聞的內(nèi)容。按勞埃德的說法,，“‘現(xiàn)在’可以通過我們與環(huán)境間發(fā)生關(guān)聯(lián)的過程來定義”,。 整個宇宙中的關(guān)聯(lián)不斷增加，而時間本身,，又充當(dāng)著這一切發(fā)生的背景,。物理學(xué)家強(qiáng)調(diào)，盡管我們在時間如何演化上得到了更新的認(rèn)識,，但這仍無助于我們了解時間的本質(zhì),，或者說時間為何與剩下的3個空間維度極為不同（無論是在我們的感知層面還是在量子力學(xué)方程中）。波佩斯庫稱,，這是“物理學(xué)中最大懸案之一”,。 “我們能討論一個小時之前發(fā)生了什么，我們的大腦當(dāng)時與事物的關(guān)聯(lián)比現(xiàn)在要少,，”波佩斯庫說道,，“但我們能感知到時間的流逝，這就完全是另一回事了,。我們極有可能需要一場更深刻的物理學(xué)革命來告訴我們?yōu)槭裁?。?/p>
編譯自：simonsfoundation.org,，Time's Arrow Traced to Quantum Source 相關(guān)的果殼網(wǎng)小組 |
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香茶漸冷，老宅頹屺,，鏡片碎裂,，恒星熄滅。物理學(xué)家說,，這或許都是因?yàn)橐环N奇怪的量子效應(yīng),，名為“糾纏”。圖片來源：SteGrifo27
2009年諾厄·林登（Noah Linden，左一）,、桑杜·波佩斯庫（Sandu Popescu）,、托尼·肖特（Tony Short），和安德烈亞斯·溫特（Andreas Winter,，不在照片中）的一篇標(biāo)志性文章表明,，糾纏可以驅(qū)動物體朝向平衡態(tài)演化。證明過程的一般性“非常讓人驚訝”,，波佩斯庫說,，“系統(tǒng)達(dá)到平衡是一個普適結(jié)論”,。這篇文章引發(fā)了糾纏在時間之箭指向問題上的進(jìn)一步研究,。圖片來源：Tony Short
現(xiàn)為麻省理工學(xué)院教授的塞思·勞埃德（Seth Lloyd），上世紀(jì)80年代在英國劍橋大學(xué)讀研究生期間,，產(chǎn)生了糾纏或許可以解釋時間之箭的想法,。圖片來源：
在一杯熱咖啡與周圍空氣熱平衡的過程中,，咖啡分子（白色）和空氣分子（棕色）發(fā)生相互作用,，變成一種棕白混合的糾纏混合態(tài)。一段時間之后,，大多數(shù)咖啡粒子都與空氣分子產(chǎn)生了關(guān)聯(lián),，這表明咖啡最終進(jìn)入了熱力學(xué)平衡狀態(tài)。圖片來源：Lidia del Rio
