原創： Joseph Xia 國際科學

這幾年，穿越劇十分火熱，它們的鮮明标志是劇情或多或少涉及到穿越時空的情況。那麼，時間到底能不能倒流，“時光機器”到底存不存在呢？

為了解答這個問題，2019年3月13号，來自俄羅斯莫斯科理工學院、美國阿貢國家實驗室、蘇黎世聯邦理工學院的三位科學家在Nature子刊《Scientific Reports》上聯名發表了一篇名為《Arrow of time and its reversal on the IBM quantum computer》的論文，該研究旨在尋找一種方法來打破或至少彎曲物理學中最基本的能量定律，并在一定意義上實現時間倒流！

文章的第一作者，來自莫斯科物理技術研究所的量子物理學家戈德伊萊索維克認為，“時間之箭”是指确定了從過去到未來的單向時間方向，也就是說，時間的流逝方向就像箭頭的指向那樣是單一方向的。

文章随後回顧了熱力學第二定律的内容，即熱的東西随着時間的推移會變冷，因為能量會從能量最強的區域轉換和擴散。

但是，作者指出熱力學第二定律不是一個硬性的規則，而是宇宙的指導原則，這個原理，能夠解釋為什麼你的咖啡不能在寒冷的房間裡保持熱，為什麼炒雞蛋比還原雞蛋容易，為什麼沒有人能制作出來永動機。

研究人員認為這也是能得到的最接近“時間之箭”的一條規則，它告訴我們為什麼我們能記住我們昨晚晚餐吃的東西，但卻不記得下一個聖誕節将會是什麼樣子的。

實際上，作者稱，物理學中的每一條定律都可以被推翻，而且推翻之後仍然是有意義的。例如，你看到任何兩個球之間的一次碰撞，并碰巧看到它是相對于另一個球是反向的，那麼看起來其實不會感到奇怪。

從宏觀尺度來看，熱力學定律中不應該出現漏洞，但當我們聚焦于現實的微小尺度時，在這種情況下，孤立的電子就出現了漏洞。電子不像小台球，它們更像是占據空間的信息。它們的細節是由一個叫做薛定谔方程的東西定義的，這個方程代表了一個電子成為機會波的可能性。

如果這有點令人困惑，讓我們做個遊戲，你從手中的一個台球開始，然後把它滾過桌子，在這個過程中，薛定谔方程會告訴你，球就在台球桌上的某個地方以一定的速度移動，從量子的角度來說，球到處都是以一系列的速度運動的，然而，你可以伸出你的手抓住它來确定它的位置，但你不确定它的速度有多快，同樣，你也可以輕輕地用手指碰它，自信地知道它的速度，但卻不知道它去了哪裡。這就是量子物理學家海森堡于1927年提出的不确定性原理（Uncertainty Principle），也叫作“測不準原理”。

不過，在你打出這個台球的瞬間，你可以相當确定它仍然在你的手附近高速移動，隻是仍然不知道其速度的具體數值。

從某種意義上說，薛定谔方程預測了量子與粒子的相同性質，随着時間的推移，粒子的位置和速度的不确定性會擴大。

然而，文章的主要作者，美國阿貢國家實驗室的材料科學家瓦萊裡·維諾克聲稱，“薛定谔方程是可逆的”！

他認為，從數學上講，這意味着在一種稱為複共轭的變換下，方程将描述一個“污點”電子在同一時間段内回到空間的一個小區域，這就好像你的滾動球不再以無限可能的位置在黑暗的桌子上散開，而是重新回到你的手上。

理論上，沒有什麼能阻止它自發發生，但是，你需要每秒鐘盯着100億個電子大小的台球桌，以及我們宇宙的生命周期，才能看到它發生一次！

在實際研究中，研究小組沒有這種能力和耐心去時時刻刻觀察這些電子，對于這個問題，研究人員使用量子計算機中未确定的粒子狀态作為他們的球，并巧妙地操縱計算機作為他們的“時間機器”。

這些狀态或量子位中的每一個都被安排成一個簡單的狀态，對應于一隻手拿着球，一旦量子計算機開始工作，這些狀态就有了各種可能性。

通過調整計算機設置中的某些條件，這些可能性被限制在一種有效地重複薛定谔方程的方式之中。

為了測試這一點，團隊再次啟動了設置，就好像踢了一下台球桌，竟然發現分散的球重新排列成最初的金字塔形狀！

在實際的層面上，他們用來操縱薛定谔方程的算法以這種方式可以幫助提高量子計算機的精度。

據了解，這不是這個團隊第一次重新思考并應用熱力學第二定律，實際上，在幾年前的一個研究中，他們就曾經嘗試把一些粒子纏在一起，并設法加熱和冷卻它們，使它們實際上像一台永動機。

該研究的貢獻在于找到在量子尺度上推動這些物理定律極限的方法，為研究真實量子系統中的時間反轉和反向時間流指出了幾個方向，也許能幫助我們更好地理解為什麼時間會一往無前的向前“流動”。

這個研究告訴我們，在微小的量子領域，“時光倒流”的現象或許可以被觀察到，但是，在實際生活中，“時光機器”還隻是個想法。既然不能改變時間，那就努力讓自己不負時光吧！

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