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時間似乎每時每刻都在流逝，但齒輪無論正反轉動都能夠平穩地運轉，科學家因此猜想，也許時間機器并不僅僅存在與科幻小說中。近日，俄羅斯物理學家通過量子計算機實現了最小程度的“時間逆轉”，這一突破性壯舉引發了全球媒體的轟動。

在宇宙中，時間的流逝意味着熵值的增加，即熱力學第二定律（亦稱熵增加定律）。它解釋了為什麼熱咖啡會變涼、為什麼破鏡難以重圓、以及為什麼人類無法制造出第二類永動機。莫斯科物理與技術研究所的量子物理學家Gordey Lesovik 表示，熱力學第二定律與時間箭頭的方向密切相關，它假定了從過去到未來的單向性。

但俄羅斯科學家進行的最近一項實驗表明，在區分過去和未來時，至少在量子尺度上，人類可以做到反轉時間。以俄羅斯為首的美俄研究人員試圖尋找一種方法來“打破”物理學最基本的法則之一——熵增加定律。

事實上，物理學中的幾乎所有規則都可以逆向運行且仍具有意義。例如，在台球桌上任何兩個球之間的單次碰撞，不論正看還是反看其軌迹都是完全一緻的。而微觀世界中的電子，則更類似于占據空間的信息，最重要的是其行為可以被薛定谔（Schrininger）方程所定義和描述。就好比把台球丢在桌上，通過Schrininger方程你就可以知道這顆球正在某一位置以一定的速度向某個方向移動。

從某種意義上說，Schrininger方程預測了量子粒子的相同之處。美國阿貢國家實驗室的材料科學家Valerii Vinokur 解釋道，薛定谔方程式是可逆的。在數學上意味着在一個特定的複共轭變換下，逆向的薛定谔方程描述了一個“模糊”的電子在同一時間段内定位回某一個空間區域的過程。這就好比是台球桌上的白球從終點位置逆向滾回到發球點。從理論上講，這一過程是可以自發的，但是發生的幾率極低。

俄羅斯科學家将量子計算機中未确定的粒子狀态比為“台球”，并用量子計算機将數枚“未确定”的量子比特“發射”出去，在确定的程序下，這些粒子就好比台球一樣散落在四面八方。

接着，科學家通過調整量子計算機的某些參數，讓散落在四處的粒子重新回到原始位置，就好比是将散落的台球重新排列成金字塔狀。結果表明，這一實驗的成功率約為85％（基于兩個量子比特的實驗）。該研究發表于《Scientific Reports》

在實踐層面上，俄羅斯科學家通過操控Schrininger方程的逆算法可以大幅提高量子計算機的準确性。同時，這一研究發現也第一次撼動了熱力學第二定律在科學界至高無上的地位。

​雖然這一實驗的成功并不意味着“時間機器”的問世，無法讓我們重新回到童年，也與現實生活中的“時光倒流”、“時空穿越”有所差異，但在量子尺度上尋找并“颠覆”傳統物理定律的方法将有助于我們更好地理解“時間是什麼？”，以及“宇宙為什麼像時間一樣‘流動’”。

作者/朱張航宇

參考文獻：

原文網址：Arrow of time and its reversal on the IBM quantum computer, Scientific Reports, volume 9, Article number: 4396 (2019)

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