物理学家成功迫使时间在正反两个方向上同时流逝

物理学家成功迫使时间在正反两个方向上同时流逝

物理学家演示“量子时间反演”。

物理学家最近首次通过实验做到了让光子同时在时间上前进和后退。这个听起来匪夷所思的实验运用了量子力学中的两个古怪概念——叠加态和CPT对称原理。实验能够帮助人类提升量子计算技术,增进对量子引力论的理解,或许还能让我们一窥黑洞内部和时间旅行的奥秘。

实验由两组相互独立的科学家完成。他们使用了一种特殊的晶体,将光子一分为二,然后再结合在一起,并在此过程中演示了所谓的“量子时间反演”。

量子力学中的叠加态指的是粒子能够同时处于多种状态,直至它们被观测。比如著名的“薛定谔的猫”。而CPT对称指的是包含粒子的系统,在电荷、空间位置和时间方向全然相反,亦即被镜像化的情况下,其所遵守的物理学规律与未被镜像时完全一样。

物理学中的大部分基本规律都与时间的方向无关。也就是说,即便时间反演,结果也是一样。但热力学第二定律却是例外。热力学第二定律认为一个封闭系统的“熵”只可能增加,不可能减少。熵指的是一个系统的混乱程度,它反映的是时间流逝的方向,亦称“时间之箭‬”。它是物理学中极少数与时间流逝方向有关的概念之一。比如一个杯子被打破,那么它的熵就会增加,而这意味着这就是时间流逝的方向;假如打碎的杯子自动复原,那么就意味着熵的减少,以及时间发生了倒流。

但是熵主要是一个统计概念,不适用于单一的亚原子粒子。理论上粒子在时间上是前进还是后退是无法区分的。

叠加态原理能够让粒子同时在时间维度上向着前后两个方向运动,但用实验验证这一点很困难。这两个科研团队各自设计了一套相似的实验装置,能够用晶体分割叠加态光子,使之沿着两条不同的路径运动。叠加态光子在一条路径上正常地运动,与此同时又在另外一条路径上被极化,其空间指向被改变。

研究人员随后用另一块晶体将叠加态光子再度结合在一起,并对光子的极化进行了测量。结果他们发现了一种明暗相间的量子干涉条纹,表明光子被分割成了在时间维度上同时向前和向后运动的两部分,就像一个能够同时左旋和右旋的陀螺一样。

该实验可以为设计能够同时在时间的两个方向上运行的可反演计算机逻辑门提供指导。以此原理设计的量子计算机处理器,可以拥有极其强大的算力。

与此同时,它也可以为致力于统一广义相对论和量子力学的科学家提供参考。未来的量子引力论中可能会包括这种拥有多个时间方向的粒子,它能让科学家洞悉宇宙中某些极端神秘现象的奥秘,例如黑洞的内部和时间旅行。

参考
Experimental demonstration of input-output indefiniteness in a single quantum device
https://arxiv.org/abs/2210.17046
Experimental superposition of time directions
https://arxiv.org/abs/2211.01283