時間之箭——宇宙膨脹就是量子糾纏網絡的擴張

2020-12-10 探索貓百家號

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。」

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。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「概念」,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。

這種時空猜想的科學家們給時空的基本單元起了一個名稱「時空原子」,我認為可能就是原本虛無真空中的「量子比特」。

現在有理論認為,構成宇宙的基本單元是量子比特,多個量子比特組合構成了弦,弦又是我們通常說的微觀粒子的基礎。也就是說,宇宙的基本單元是信息,信息是物質的基礎。

原本虛無中並不存在時間和空間,但存在著量子比特,量子比特之間相互糾纏形成弦,即微觀粒子,實際上虛無的真空中不停的產生各種成對的物質粒子,但很快又湮滅了,也就是說量子比特之間的糾纏是一個很正常的現象。新生粒子的量子比特繼續與虛無中的其他量子比特糾纏,不斷擴張,這個過程就是時空誕生的過程。

隨著更多量子比特之間糾纏,時空的三維結構也就生成了,並且形成了糾纏的時空網,宇宙誕生了。可以說宇宙大爆炸之前的那段宇宙暴漲以及後來的宇宙膨脹並不像吹一個氣球那樣,而是糾纏時空的快速生成,已經存在的糾纏時空又不斷吞併新的量子比特,這是糾纏時空網絡擴張的過程。由此也可以推斷出:宇宙暴漲以及宇宙膨脹速度其實就是量子糾纏速度,而且量子糾纏的速度也不是恆定的。

信息要比時間更加本源,信息是萬物存在的基礎,不僅是我們通常理解的「物質」,更包括時間和空間。可以說沒有信息,不僅物質不存在,就連時間和空間也不存在。

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