@ 2017.04.18 , 11:00

在量子级别上实现时光倒流

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时间为什么只能前进不能倒退,这是科学界的一个未解之谜。现在科学家们使用“量子时光镜”,可以在非常小的量子尺度上逆转时间。研究人员表示,这种现象已经得到证实,在未来的某一天可以帮助量子计算机之类的机器自我检查错误。

“啊!要是时间能够倒流,我们能够把昨天召唤回来”,莎士比亚话剧《理查二世》中萨里斯伯雷伯爵那徒劳的恳求让人印象深刻,因为观众们知道时间马不停蹄地向前行进,而不会倒退。

然而,目前用于描述宇宙的物理学基本定律,从量子力学到广义相对论,无论时间箭头的指向如何,它们都是成立的。19世纪的奥地利科学家Josef Loschmidt提出了这样一个难题:为什么时间理论上是可以双向流动的,但实际上只能表现为单向流动。这也被称为洛施密特悖论。

牛奶不会将自己从咖啡中分离出来,煎蛋不会变回鸡蛋,打碎的花瓶也不会自动复原。根据19世纪奥地利物理学家Ludwig Boltzmann对热力学第二定律的解释,任何孤立系统都有朝着无序状态发展的趋势。也就是说,事物将分崩离析。

尽管如此,Loschmidt依然坚持有可能从本质上扭转时间,想象一下,有一个守护神,他可以让所有的粒子停下,并反向它们的速度,让粒子回到原来的地方。

多年以来,科学家们创造了很多版本的Loschmidt守护神。例如,1950年,研究人员利用无线电波脉冲成功地逆转了原子核旋转的方式,使它们变回了原来的状态。这些自旋回波如今成为了核磁共振成像这类扫描技术的核心科技。

以前,科学家们也为声波、电磁波还有水波创造了“时光镜”。这些镜子通常是天线或者麦克风阵列,它们记录入射波并将其反向版本送回发射源。

然而,德国雷根斯堡大学的凝聚体物理学家Klaus Richter说,能在奇幻的量子物理领域工作的时光镜不太可能存在,因为物质和能量都像幽灵一般。比如,粒子可以同时存在于两个地方,或者同时向两个方向旋转。之前的时光镜只是记录信号,但是量子现象是十分脆弱的,它会受到观测行为的影响。
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石墨烯因其优秀的性能,近年来受到很多研究的青睐。Richter和他的同事设计了一个用石墨烯薄片实现的量子时光镜。在量子物理学中,粒子有时会显示出波动性。在石墨烯的晶格当中,电荷可以以波的形式传播,这些电荷中,负电荷以电子的形式存在,正电荷以空穴的形式存在。

在石墨烯中,电子和空穴移动速度相同,方向相反。Richter表示,它们行为的相反性令石墨烯成为了制作时光镜的理想材料。

研究人员计算得出,向石墨烯发射一个激光脉冲可以瞬间触发“极性反转”——电子变成空穴,空穴变为电子。这种反转行为可以令粒子回到过去。研究人员可以用现有技术制作出这样的量子时光镜。

虽然这项工作不是为了测试时间逆转的极限,但是当实验的不足之处被逐一克服,它的限制就会自动显现出来。阿根廷科尔多瓦国立大学的量子物理学家Horaclo Pastawsk指出,一旦系统变得复杂和混乱,时间逆转将不会发生。

Richter强调,这个量子时光镜只适用于隔绝环境扰动的微小系统中。“想要在人身上实现时间倒流是不可能的。然而,探究能够实现时光倒流的最大系统是多大,是这项研究的发展前景。

科学家还可以使用其它材料来设计量子时光镜,例如内部绝缘而表面导电的拓扑绝缘体,Richter说:“关于石墨烯的研究已经十分成熟,科学家现在可以制作超净石墨烯,这样时光镜就能变得非常干净。”

Richter表示量子时光镜将来可以在量子计算机等设备中进行探测活动。新西兰奥克兰州梅西大学的理论物理学家Joshua Bodyfelt指出,这项技术的另一个可能应用是编码秘密信息,我们可以在数据脉冲中将数据编码,经过传输后,利用时间倒流得到原始数据。

本文译自 insidescience,由译者 bakako 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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