时光为何不能倒流？量子涨落为它规定方向

未明领域

Serra和同事通过测量液态三氯甲烷样本中全体碳13原子的熵，深入探索了这一含混不清的领域。尽管样品包含了约1万亿个三氯甲烷分子，但其分子具有不发生相互作用的量子特性，这意味着相当于在同一个碳原子身上重复了很多次实验。

Serra与同事们给样品加了一个振荡的外磁场，它会不停地翻转碳原子的自旋态，即在向上和向下之间来回转换。研究人员慢慢提高磁场的振荡速度以提高自旋翻转的频率，随后又慢慢降到原来的值。

如果系统是可逆的，那么到最后碳原子自旋态的分布就会与初始情况相同。然而，Serra和同事们通过核磁共振和量子态断层摄影术发现最终碳原子自旋态的无序性比初始状况增加了。由于这个系统是量子性的，这就等价于单个碳原子的熵增加了。

研究者表示，单个原子的熵之所以增加，是因为它们的自旋被迫翻转的速度过快。由于无法跟上外磁场的振荡速度，原子只能开始随机涨落，就像舞蹈初学者跟不上快节奏的音乐一样。“跳舞的时候，慢节奏的音乐总是比快节奏的音乐简单一些。”Serra说。

事情还没完

在美国得克萨斯大学奥斯汀分校同样研究量子系统不可逆性的实验物理学家Mark Raizen说，这个研究组的确观察到了量子系统的时间箭头。但他也强调，他们并没有观察到时间箭头是如何“产生”的。“这一研究并没有让我们完全理解时间箭头，还有许多问题有待解决。”他说。

这些问题中的一个，就是时间箭头与量子纠缠之间有何关系。量子纠缠是指两个粒子之间的即时相互关联，甚至在两个粒子相隔距离遥远的时候也依然存在。这一概念诞生已经将近三十年，最近热度又有所增长。然而，时间箭头与量子纠缠之间的关联与熵的增加关系不大，更多的是与量子信息不可阻挡的扩散有关。

不过，Serra相信通过更好地驾驭量子纠缠，可以在微观系统中实现时间箭头的逆转。“我们正在研究此事，”他说，“在下一代的量子热力学实验中，我们或许就能一探究竟了。”