新實驗「打破」熱力學第二定律，時間的箭頭不再絕對

04-21

在熱力學的第二定律中，孤立系統內的熵（一個系統的無序程度）只增不減，比如一杯熱水在室溫下放一段時間後會變涼，但可能還沒有一杯涼水能自己在室溫下變熱。宇宙整體的熵會增加，這便是熱量會從溫度高的系統流至溫度低的系統的原因，事實上物理上時間的定義也可以說是由此而來。

但最近，一個巴西的研究小組在一項實驗中讓熱量自發地從一個冷的系統流向了一個熱的系統，強調了在量子熱力學的新興領域中，信息、熵與能量這三者間的關聯密切。

在實驗中，小組首先製備了一個由碳原子，氫原子和三個氯原子組成的分子，然後使用磁場來對準碳氫兩個粒子的核自旋，或「量子位」，之後碳原子和氫原子的核會變得相互關聯，從而使這兩個粒子變成了一個不可分離的整體——一個包含兩個量子比特的量子態。

而正是這個相關性，造就了這一「違反」熱力學第二定律的現象。

一般來說，熵是被用來表示一個系統最多可以處於多少種狀態的（在你觀察並確認系統處於某一特定狀態前）。而在一個經典系統中，系統的熵等於系統內每個分部的熵的總和。

但在對於一個量子系統來說，熵衡量的其實是這個系統的相關性。一個兩量子比特系統在被觀察前可以處於四種不同的狀態，這四種狀態如果用0和1來表示的話便是00,01,10和11。而一個量子系統的熵便由系統處於每種可能狀態的概率決定，研究人員也由此能通過將單個量子比特的熵與系統的熵做對比來測量系統的相關性。

實驗從兩個強相關的粒子開始，而隨著實驗的進行，兩個粒子會逐漸退相關，導致它倆間的相關性減弱。參與了研究的巴西聖保羅ABC聯邦大學研究員Kaonan Micadei說：「這意味著，以單個粒子的熵為單位，熵的總和會減少。」

在一個不規則的，不相關的系統中，總的熵突然下降會違反第二定律。 但在這項實驗中，研究人員需要把相關性也考慮在內。倫敦帝國理工學院物理學家David Jennings說：「相關性的弱化類似於『將熱量從較冷系統轉移至較熱的系統的燃料』。」 ABC聯邦大學物理學家和該研究的小組負責人Roberto Serra表示：「冷的量子比特越來越冷，熱的那個則越來越越熱。換句話說，熱量從冷的系統流到了熱的系統。而造成這一現象便是『系統的相關性與熵之間的平衡』。」

Micadei說：「時間箭頭的方向（時間是矢量）的熱力學定義源於熵在一個封閉的系統中只能增加或是保持不變，但通過在實驗室中創建熵會減少的孤立系統，我們能夠使時間箭頭指向相反的方向。」

Serra 表示：「這意味著時間的箭頭不是一個絕對的概念，相反，它強烈地依賴於我們所設的定的初始條件。「

麻省理工學院物理學家，量子信息專家Seth Lloyd說：「雖然理論上我們已經預見到這種情況的存在，但這是第一次有人確實在物理系統中逆轉了時間的箭頭。對於這個已經存在了很久的理論來說，這是一次相當不錯的實驗證明。」

雖然目前的論文不會讓我們更接近於構建一台時間機器，但它可能對現實世界有著重要影響。貝爾法斯特女王大學的物理學家Mauro Paternostro正在研究如何使用類似的效應來創造效率非常高的量子熱泵。Mauro說：「大型量子機器（large-scale quantum thermo-machine）的潛在應用十分廣泛。」

該研究同時也會影響人們對於宇宙起源的思考。宇宙學長久以來就有一個為什麼宇宙非要始於一個低熵狀態，並允許熵在整個宇宙的歷史中隨著時間的流逝而增加（假設允許時間流逝）。而通過將熵與量子糾纏結合起來，Serra希望這項實驗能對宇宙時間箭頭的討論產生「刺激性」的後果。