撰文 喬恩·卡特賴特（Jon Cartwright）
翻譯 丁家琦
審校 韓晶晶
用振蕩磁場翻轉碳原子。圖片來源：Physics World
一個物理學家國際團隊最近測出了一個微觀量子系統的無序性，即所謂的「熵」（entropy）。他們希望這能幫助我們搞清楚「時間箭頭」（the arrow of time）的來源，即時間為何總是從過去流向未來。在實驗中，他們用一個振蕩的磁場不停翻轉碳原子的自旋，並將時間箭頭的產生歸結於兩個不同原子自旋態之間的量子漲落。
「時間是有方向的，這就是為什麼我們記得昨天發生了什麼，卻不知道明天會發生什麼。」團隊成員之一，在巴西ABC聯邦大學研究量子信息的物理學家Roberto Serra說。他認為，從最根本的層面上講，時間的不對稱性與量子漲落有關。
破鏡難重圓
在日常世界裡，我們通常都把時間箭頭的存在看做是理所當然的事。我們會看到雞蛋被打碎，但不會看到蛋清、蛋黃和蛋殼重新聚合到一起形成完整的蛋。雖然在我們看來，自然定律顯然是不可逆的，但物理學卻沒有任何機制會阻止這樣的事情發生。只看動力學方程的話，雞蛋碎掉的過程完全是可逆的。不僅完整的雞蛋能被打碎，碎了的雞蛋也能重新合上。
然而，熵（entropy）這個概念給我們提供了一扇了解時間箭頭的窗口。大多數雞蛋看起來都一樣，但打碎的雞蛋可以呈現出多種多樣的形狀：它可以是被一下敲開並攪拌均勻的，也可以是碎在地上、濺得到處都是，而正是因為無序態的數目遠多於有序態，系統才更容易向無序態發展。
這種從概率角度進行的推理就是熱力學第二定律的核心，它認為封閉系統的熵永遠是隨著時間增加的。根據第二定律，時間不可能倒回過去，因為這樣會導致熵減少。對於由大量互相作用的粒子所組成的複雜系統，如雞蛋而言，這個論證很有道理，但對於只包含一個粒子的系統呢？
未明領域
Serra和同事通過測量液態三氯甲烷樣本中全體碳13原子的熵，深入探索了這一含混不清的領域。儘管樣品包含了約1萬億個三氯甲烷分子，但其分子具有不發生相互作用的量子特性，這意味著相當於在同一個碳原子身上重複了很多次實驗。
Serra與同事們給樣品加了一個振蕩的外磁場，它會不停地翻轉碳原子的自旋態，即在向上和向下之間來迴轉換。研究人員慢慢提高磁場的振蕩速度以提高自旋翻轉的頻率，隨後又慢慢降到原來的值。
如果系統是可逆的，那麼到最後碳原子自旋態的分布就會與初始情況相同。然而，Serra和同事們通過核磁共振和量子態斷層攝影術發現最終碳原子自旋態的無序性比初始狀況增加了。由於這個系統是量子性的，這就等價於單個碳原子的熵增加了。
研究者表示，單個原子的熵之所以增加，是因為它們的自旋被迫翻轉的速度過快。由於無法跟上外磁場的振蕩速度，原子只能開始隨機漲落，就像舞蹈初學者跟不上快節奏的音樂一樣。「跳舞的時候，慢節奏的音樂總是比快節奏的音樂簡單一些。」Serra說。
事情還沒完
在美國德克薩斯大學奧斯汀分校同樣研究量子系統不可逆性的實驗物理學家Mark Raizen說，這個研究組的確觀察到了量子系統的時間箭頭。但他也強調，他們並沒有觀察到時間箭頭是如何「產生」的。「這一研究並沒有讓我們完全理解時間箭頭，還有許多問題有待解決。」他說。
這些問題中的一個，就是時間箭頭與量子糾纏之間有何關係。量子糾纏是指兩個粒子之間的即時相互關聯，甚至在兩個粒子相隔距離遙遠的時候也依然存在。這一概念誕生已經將近三十年，最近熱度又有所增長。然而，時間箭頭與量子糾纏之間的關聯與熵的增加關係不大，更多的是與量子信息不可阻擋的擴散有關。
不過，Serra相信通過更好地駕馭量子糾纏，可以在微觀系統中實現時間箭頭的逆轉。「我們正在研究此事，」他說，「在下一代的量子熱力學實驗中，我們或許就能一探究竟了。」
研究論文發表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上，論文連結：http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.115.190601
原文連結：
http://physicsworld.com/cws/article/news/2015/nov/12/physicists-put-the-arrow-of-time-under-a-quantum-microscope
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