時間之箭---量子糾纏與時間的誕生

07-14

愛因斯坦在一封信中寫到：「對於我們物理學家來說，過去、現在、未來的區分只是一種幻覺，儘管看起來很真實。」

首先說一下時間，時間是人們日常生產和生活中形成的概念，起源就是一種純粹的「觀念」，後來這個生活概念被抽象化為數學概念，我之前的文章《數學是怎樣在科學中起作用的？》說到，數學概念原本就是人們頭腦中的一種「觀念」，科學家通過建立科學概念，轉變為數學概念，將已知經驗用概念之間的關係符號化進行描述以及通過邏輯進行經驗放大化的再描述。時間概念就是這樣建立起來的。

時間反演對稱性描述的是在時間反演操作下物理系統的對稱性，大部分物理理論都是時間反演對稱性的，但是有一個重要的物理定律是時間不可逆的：熱力學第二定律。該定律表明，隨著時間的流逝，一個封閉系統的無序度必須增加，永遠不會減小。通常，我們將該無序度稱之為「熵」，當某些事情發生後無序度總是增加的，這就要求時間只能朝一個方向流逝。熵在宏觀上看是系統無序度，在微觀上看是大量隨機事件自發演化的不可逆性，因為從統計上講，其回到初始態的概率太低。宇宙是動態演化而非靜止，而在演化過程中必然會有一個箭頭。

時間的不可逆性在過去超過一個世紀的時間裡一直困擾著科學家們，那就是大爆炸發生後，物質逐漸形成結構，行星，恆星和星系逐漸出現，時間的箭頭永遠指向前方。

有一個理論認為，當大爆炸發生時產生了一個與我們的宇宙相同的「鏡像宇宙」並在大爆炸的瞬間朝相反的方向膨脹——而分別生活在這兩個世界中的智慧生物在感知上會認為對方都在朝著時間軸的反方向前行。這一理論是由英國的朱利安·巴伯(JulianBarbour)博士，加拿大新布倫瑞克大學的蒂姆·科斯洛夫斯基(TimKoslowski)博士以及加拿大圓周理論物理研究所的弗拉維奧·莫卡提(FlavioMercati)博士共同提出的。

美國物理學家Allahverdyan和Gurzadyan，試圖將「暗能量」和熱力學定律聯繫起來。他們推導發現，暗能量的引進意味著空間會被推開，就像暗能量把宇宙不斷的推開一樣。在這種情況下，暗能量自然而然的就導致了時間的流向。

現在，物理學家正在揭開時間之箭的一個更為基本的起源：量子糾纏。大多數物理系統都能通過糾纏迅速到達熱平衡狀態，具體時間與系統的尺度成正比。

麻省理工學院教授的塞思·勞埃德（Seth Lloyd），發現當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）會逐漸轉變成對所有糾纏粒子的整體描述。最終，關聯會包含所有信息，單個粒子的信息則歸於消滅。一旦到達這一步，粒子便進入一種平衡狀態，它們的狀態不會再經歷任何變化，就像熱茶冷卻到室溫一樣。

越來越多的物理學家開始相信，時空本身就是量子糾纏的結果。目前為止，已經有人成功推導出了愛因斯坦方程即等效原理，這為時空動力學以及時空幾何可以從糾纏量子比特中生成提供了證據。如下圖：獨立粒子(點狀)與其他粒子相互糾纏。這些糾纏對又與其他糾纏對相互之間糾纏。隨著更多粒子之間糾纏，時空的三維結構也就生成了。

時間作為一種觀念，用於描述（或者說建立）人類認識世界的「經驗」。物理學理論中存在各種對稱性，包括時間和空間的對成性，而我們現實中發現時間僅僅是單向流動，都是熱力學第二定律在起作用。虛無真空中不存在時間和空間，一旦物質粒子產生，新生的粒子就會自動與同源的粒子進行糾纏，以求達到整體性平衡狀態，這個過程就是時空誕生的過程。時空的誕生是不斷消耗著虛無真空的能量，這是一個由能量變質量的過程。

對於質量粒子，我的理解是這些粒子與真空同源同屬性，它們的各種隨機性等怪異表現都是因為真空與之作用產生的造成的，如果做個類比，虛無的真空類比為「空氣」，微觀粒子類比為「上下封閉的龍捲風（龍捲球）」，微觀粒子並不是粒子，而是由和真空同樣屬性組成的自旋態，微觀粒子的所有特徵（如測不準原理、波粒二象性等等）都是真空造成的。微觀粒子的內部和虛無真空並不是完全不同，而是本質相同。

正是因為這種隨機性，概率上看發生運動可逆性極小，也就是說他們的運動是不可逆的，即對於微觀粒子來說，時間之箭也是有方向性的。這一點上講真空中的暗能量也對時間之箭的方向性起了作用。