时间可以同时双向流逝吗？

时间可以同时“向前”和“向后”流逝吗？

根据一项最新的研究，至少在量子系统中，答案是肯定的。在研究中，物理学家展示了量子系统如何沿着两个方向相反的时间之箭（也就是时间上“向前”和“向后”）同时演化。

或许我们因此需要开始重新思考，在量子定律发挥关键作用的情况下，我们应该如何理解并表征时间流。研究已于近日发表在《通讯物理》上。

Part.1

当我们抬头仰望星空，观察天体运动时，常常会产生一种永恒的错觉，这种感觉可能会让我们怀疑，时间是否真的存在。

几个世纪以来，哲学家和物理学家一直在思考时间。然而，在经典世界中，日常经验似乎可以让我们打消所有关于时间存在的疑虑：时间的确存在，并且不断流逝，一去不复返。

这种看似的显而易见来自这样一个事实：大多数宏观物理现象只能朝着一个方向发生。在物理学中，这种单一的时间方向的倾向与产生的熵有关。

熵可以理解成定义系统无序程度的物理量。热力学第二定律告诉我们，一个孤立系统的熵在后来时刻的值，将大于（或者至少是不小于）它在之前时刻的值。也就是说，自然界的宏观过程往往会自发地从无序程度较低的状态，演变到无序程度较高的状态，这种倾向可以用来识别时间之箭的方向：熵增就是时间“向前”的方向。

但是，微观的物理定律是时间对称的，换句话说，并不存在所谓的天然优先的时间方向。在最基本的层面上，物理系统往往遵循时间可逆的定律。对于一个微观系统来说，涨落模糊了时间之箭的方向，时间流只是平均定义的。更具体地说，在这种情况下，我们无法推断时间之箭，系统的演化在本质上并不会区分所谓时间“向前”或“向后”。

这种差异不仅为解释“时间流逝”带来了挑战，更让人们对量子领域中的“时间流动”产生了疑问。

Part.2

不少物理学家试图将热力学时间之箭的想法应用在量子领域中，从而期待更深入地理解时间是如何在量子机制下流动的。

量子世界的特点之一是量子叠加原理，根据这一原理，当一个量子系统存在两种可能的状态，那么它就可以同时处于这两种状态的叠加。

如果将量子叠加原理拓展到时间之箭上，也就得到了，能在向前或向后（反演）两种时间方向上演化的量子系统，也可以在两个时间方向上同时演化。

尽管对于我们的日常经验来说，这种想法听上去相当荒谬，但在其最基本的层面上，宇宙法则是基于量子力学原理的。这就引出了一个问题：为什么我们在自然中从未遇到过这些时间流的叠加。

在这项新研究中，科学家量化了一个系统在两个方向相反时间之箭的过程的量子叠加中演化所产生的熵。研究发现，这通常会导致将该系统投射到一个定义明确的时间方向上，这个方向与这两个过程中最有可能的那个方向相一致。然而，当涉及非常少量的熵时，在物理上就可能观察到系统同时沿向前和向后的两个时间方向演化的结果。

Part.3

这项研究告诉我们，虽然时间通常被视为一个不断增加的参数，但在量子力学的环境中，主导时间流动的规律要复杂得多。

这可能意味着，我们需要重新思考，在所有量子定律起到了关键作用的环境中表征这个量的方式。

此外，研究人员认为，这项研究在量子热力学方面也具有实际意义。比如，将量子系统置于交替时间之箭的叠加中，或许可以在热机和冰箱的性能方面带来某些优势。

参考文献：

https：//www.bristol.ac.uk/news/2021/november/quantum-rubino-comms-physics.html

https：//www.nature.com/articles/s42005-021-00759-1

封面来源：

Aloop Visual & Science， University of Vienna， Institute for Quantum Optics and Quantum Information of the Austrian Academy of Sciences

来源：原理