反轉時間之箭，量子力學如何挑戰熱力學第二定律？

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導語

最近的一項實驗表明，量子力學能夠讓熱量從低溫物體流向高溫物體，這看起來「違反」了熱力學第二定律。

編譯：集智翻譯組

來源：http://www.quantamagazine.org

原題：Quantum Correlations Reverse Thermodynamic Arrow of Time

1.熱力學第二定律與時間之箭

熱力學第二定律可以表述為，熱量總是自發地從高溫物體流向低溫物體（克勞修斯表述）。然而最近的一項實驗表明，量子力學能夠讓熱量從低溫物體流向高溫物體，這顯然（實則並不真的）違反熱力學第二定律。

有些物理規律是永遠不會被打破的，比如說熱力學第二定律。熱力學第二定律的另一種表述是，孤立系統的熵——系統無序度的量度——永不減少。也就是說，存在一個時間箭頭，其指向為熵增加的方向。

玻璃會破碎，奶油會溶解在咖啡里，雞蛋會變成炒蛋，但事情永遠不會倒轉過來發生。因為在這些過程中，系統總體的熵是增加的，這也是為什麼熱量總是從高溫物體流向低溫物體。在物理世界中，熱力學第二定律是如此基本，以至於物理學家相信熱力學第二定律才是時間單向流動的原因。

2.量子關聯繫統反轉時間之箭

然而，一如既往，量子力學總有辦法在看似不可違反的規律中，引入令人費解的例外。在一項最新研究中，一群物理學家讓熱量自發地從一個低溫的量子物體流向高溫的量子物體。這個實驗強調了在新興的量子熱力學領域正在探索的，信息、熵與能量的密切關係。

這支來自巴西的研究團隊，利用的是由一個碳原子、一個氫原子和三個氯原子構成的氯仿分子（CHCl3）。他們構建磁場，讓碳原子核與氫原子核這兩個粒子，即兩個量子比特（qubit）的自旋排布整齊。這使得兩個原子核互相連接，或者說關聯（correlation），成為單一的、不可分割的整體——一個二比特的量子態。

這種關聯使令人費解的行為成為可能。

傳統意義上，熵用來度量系統可能存在的不同結構的數量。在經典系統中，系統的熵等於其各部分的熵的總和。

而在量子世界裡，關聯性（correlations）也會影響熵。一個二量子比特的系統可以處於四種可能的量子態，記作00，01，10，11，系統的熵由處於每一個量子態的概率決定。通過比較兩個單量子比特的的熵之和，與由兩個單量子比特組成的關聯繫統的熵，研究人員可以測量關聯的強度。

實驗開始時兩個粒子強烈地關聯。隨著實驗進行，粒子之間逐漸失去連接，關聯性減弱。參與此項研究的巴西ABC聯邦大學的研究人員Kaonan Micadei說，這意味著單個粒子的熵的總和減少。

如果一個規則的、非關聯的系統的總熵突然減少，將會違反熱力學第二定律。但是在這項實驗中，研究人員將關聯性考慮在內。

倫敦帝國學院的物理學家 David Jennings認為，關聯性的減弱就像「某種因素驅使熱量從低溫物體流向高溫物體」。

巴西ABC聯邦大學的物理學家、這個研究小組的負責人 Roberto Serra 認為，冷的量子比特變得更冷，熱的量子比特變得更熱，也就是說，熱量從從低溫物體流向高溫物體。這種現象的出現是因為關聯性和熵之間的權衡。

至少在這個孤立系統當中，該操作有效地反轉了時間之箭。「熱力學的時間之箭依賴於一個概念，即孤立系統的熵只能增加或保持恆定，但永遠不會減少，」Micadei說，「如果在實驗室中創造出一個熵減少的孤立系統，那麼，這個系統的時間之箭就指向了相反的方向。」

Serra認為，這項研究的結果表明，時間之箭並非一個絕對的概念，而是強烈依賴於初始條件的選擇，是一個相對的概念。

這個效應之前已經被預測過，但這是第一次在物理系統中實現時間之箭的反轉。「該物理效應早已有之，這是一個很好的實驗驗證，」麻省理工學院的物理學家，量子信息領域的專家Seth Lloyd說。

其實，早就有研究人員「撥弄」過時間之箭了。在2012年，來自巴黎高等物理化學工程學院（ESPCI ParisTech）和法國國家科學研究中心（CNRS）的團隊讓水波原路折回，反轉了波的數學描述。在2016年，另一個團隊驗證了一個通用公式，用所謂的量子點來區分時間之箭的方向。

3.實驗的現實意義——量子熱機和宇宙起源

儘管這項研究暫時不能讓我們製造一台時間機器，但它對於現實世界卻有重要影響。英國貝爾法斯特女王大學的物理學家

這項工作還可能影響人類對於宇宙起源的思考。宇宙學中一個持久的謎團是，為何宇宙起源於一個低熵的狀態，隨著宇宙歷史的演進，熵在增加，時間在向前。Serra希望，通過將熵與量子糾纏聯繫起來，這個實驗可以激起關於宇宙學中時間之箭的討論。

翻譯：梁金

審校：劉培源

原文網址：

https://www.quantamagazine.org/quantum-correlations-reverse-thermodynamic-arrow-of-time-20180402/

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