逆轉的薛丁格方程，美俄科學家實現量子時間「倒流」，令人興奮

根據現代宇宙學的定義，宇宙是時間和空間的統稱。或者說，時間和空間一起，構成了我們的宇宙。

不過，雖然同是宇宙的組成部分，空間和時間不一樣，因為空間可以向前也可以向後，但時間卻只有一個方向，那就是向前，科學家們稱之為「時間之箭」。

熱力學第二定律

時間不可逆的表現之一，就在於熱力學第二定律，即所謂的熵增原理。它告訴我們，隨著時間的推移，溫度會自發從較暖的物體向較冷的物體轉移，或者說得更廣義一些，能量總是從更密集處轉移或者擴散出去。

這個原理在生活中隨處可見：接一杯熱水，過一會它就變涼了；一塊豆腐掉在地上，一下子就會碎掉；車子的輪胎如果漏了一個洞，裡面的氣體很快就會散逸到空氣中；以及當一個人說自己發明了第二類永動機的時候，別人會覺得他腦子壞掉了……這些都是熱力學第二定律的體現。

（圖片說明：熱咖啡放在桌上很快就會涼，正是熱力學第二定律的體現）

同樣的，這也可以解釋為什麼你清楚地記得剛才吃過什麼食物，卻想不起來明年今天你會吃什麼。莫斯科物理技術學院的量子物理學家Gordey Lesovik解釋說：「這個定律與時間之箭的概念密切相關，它指出了時間從過去到未來的單向性。」

不過，最近的研究表明，雖然我們在宏觀世界裡不太可能讓時間逆轉，讓一個系統的熵自發地減少，但是在量子領域，它也未必是牢不可破的。在電子的身上，科學家們發現了一些門道。為了解釋自己發現的新現象，他們舉了一個例子。

撞球講述的量子力學原理

假設你在打撞球，如果你單純地看白球和其他球撞擊的過程，會發現即使這個過程翻轉過來，也沒有什麼不合理的地方，因為這樣的過程仍然遵從動量守恆等物理定律。但另一方面，如果你不是單純地看撞擊過程，而是看目標球落袋的過程，就會發現它的逆轉非常不合理。當你看到一顆球竟然從網袋中跳出來回到撞球桌上，或者散落的撞球回到三角架，你肯定以為自己眼睛壞了。

但電子不一樣，它並不是牢牢佔據著某個空間。你可以清楚地看見每一顆撞球在哪個位置，但即使你有足夠強大的顯微鏡，卻依然無法明確看到電子在哪裡。我們只知道電子可能出現在哪個位置，以及它出現在某個位置的概率有多大，通過薛丁格方程，我們就可以對此進行描述。

（圖片說明：薛丁格方程，可以用於描述微觀粒子的運動，我知道你看不懂，不過沒關係，不影響對本文的理解）

如果你對此感覺難以理解，我們還是用撞球舉例子。假設整個房間一片漆黑，但是你手中的球桿和母球是發光的，你可以看見。那麼，當你出杆的時候，母球撞擊在其他球上。如果這些球都是電子，那麼通過薛丁格方程，你可以知道它們都在以不同的速度在不同的位置亂跑。你可以用手抓住某個球，這樣你就知道它在哪了，但是卻不知道它剛才跑得有多快；你也可以用手輕輕感受它略過你手指的時間長短判斷它跑得有多快，但此時你又不知道它去哪了，這就是所謂的測不準原理。

但是，我們還可以利用一些小技巧。就在球掠過你手指的一瞬間，你雖然不知道它確切的位置，卻能夠知道它至少是在你手的附近快速移動。從某種意義上來講，薛丁格方程也可以進行類似的預言。而隨著時間的推移，這些粒子可能出現的位置以及擁有的速度就會有更大的變化和更多的可能。

（圖片說明：大名鼎鼎的薛丁格，大家最了解的是他的貓，但他最大的貢獻其實是薛丁格方程）

可逆的薛丁格方程

美國阿貢國家實驗室的材料科學家Valerii Vinokur卻告訴我們：「可是，薛丁格方程是可逆的。從數學的角度來說，這意味著通過一種叫做復共軛變換的方法，這個方程就可以描述如何將一個『亂動』的電子定位到空間的某一個小區域內。」用撞球的例子來形容，這就好比這些球不再到處亂跑，而是回到了最初的位置。

理論上來講，這個過程是可以自發進行的。但是實際上，如果有一個100億電子組成的「撞球桌」，從宇宙大爆炸到現在也才只有一個電子可以發生這樣的變換。顯然，科學家們不可能眼巴巴地這麼看著。所以，他們利用量子計算機，模擬了這樣的「撞球桌」，構建了他們的「時間機器」。

（圖片說明：該團隊設計的用於進行復共軛變換的電路）

在這臺機器裡，每一個量子比特（qubit），代表著一個電子，也就是對應著「撞球桌上的球」。當這個模型開始運行的時候，這些量子比特就會開始運動，產生不同的運動結果。不過，科學家們通過控制量子計算機的的一些設定條件，將它們的運動模式進行限定，約束在可以逆轉薛丁格方程的範圍內。

接下來，他們開始運行計算機。果然，就像散落在桌上的撞球自發回到了三角架裡一樣，這些量子比特也果然逆轉了薛丁格方程，回到了最初的狀態。論文中指出，在共計8192次的只有兩個量子比特的模型中，85%都實現了逆轉。

（圖片說明：薛丁格方程被逆轉了，可以看出左右兩張波函數的圖像是高度對稱的）

就這樣，「時間之箭」被逆轉了，在人類的操控下，電子可以反向運動，恢復到初始狀態。這是對熱力學第二定律的一次巨大挑戰，恐怕描述了熱力學第二定律的克勞修斯以及開爾文爵士也沒有想到，自己的理論竟然在一百多年後遇到這麼一個坎。

實際上，這已經不是這支團隊第一次挑戰熱力學第二定律了。早在幾年前，他們就曾經通過量子糾纏的手段，對粒子進行反覆的加熱和降溫，在量子級別上幾乎打造了一個第二類永動機。

（圖片說明：該實驗的統計結果，在只有2個量子比特的模型中有85.3%實現了逆轉，而有3個量子比特的模型中也有49.2%逆轉了薛丁格方程）

總結

不過，即便如此，我們也不能說時間就真的被逆轉了。這些科學家也指出：量子級別上的逆轉並不意味著我們就能回到2020年以前或者更久遠的時刻，相反的，它或許可以告訴我們時間是如何流逝的，並且向我們解釋為何時間不可逆。

但是，誰知道呢，當初也沒有人能想像熱力學第二定律可以被打破。也許我們認為的不可能，只是科技還不夠先進。至於時間到底能不能逆轉，那就讓時間自己來回答吧。