新研究：量子世界时间既可前进也可后退

一组物理学家进行的新研究发现，在量子系统内，时间可以同时拥有两个进展方向——既可前进又可后退。

时间有前进和后退两个流动方向的示意图。

这份研究11月26日发表在自然（Nature）旗下的开放期刊《通讯·物理》（Communications Physics），启发了人们对自然世界里时间流逝概念的新认知。

几百年来，时间都是科学家和哲学家捉摸不透的谜。在自然界里，人们从未感受到时间倒退的力量。在传统物理学中，这被总结成了经典的定律：这个物质世界内的任何系统在没有外在因素干涉的情况下，总是自发地从无序性低的状态变成无序性高的状态。这个物理系统的热力学特性也被用于定义时间的流向。

具体一点说，物理学使用“熵”的概念描述系统的无序度，传统物理学认为系统的熵总是自发地从低向高变化。也就是说，物理学把熵从低到高的变化，等同于时间“向前”进展的概念。

这份研究的主要研究者之一英国布里斯托大学（University of Bristol）量子工程技术实验室的朱利亚·鲁比诺（Giulia Rubino）说：“如果一个事件产生大量的熵，那么根本不可能观测到时间的后退。然而，对于只产生少量熵的事件，就有可能观测到时间后退的现象。”

“我们以人们每天早上生活的例子来说明。如果我们看到已经挤出的牙膏缩回牙膏管内，我们会不假思索地认为这是倒序播放的画面。可是，如果牙膏只被挤出一点点，那么牙膏是有可能自己缩回去的。”

量子物理学研究的是微观世界中的规律，科学家发现在微观世界里很多规律都和经典物理学的认知不一样。其中最基础的就是所谓量子态的概念，物体可以同时处于两种状态，也称为叠加态。薛定谔猫悖论就是叠加态的一个著名例子。

鲁比诺说：“把这个概念扩展到时间轴，结果就是，量子系统内的时间可以同时拥有两个进展方向。”

正如鲁比诺所举的牙膏画面的例子，传统物理学简单地把牙膏挤出来的过程等同于时间“向前”的流动，这个规律在宏观世界、也就是牙膏被大量挤出的情况下不会出现任何偏差。可是当牙膏被挤出很少量（达到微观量级）的时候，按照此时间方向的定义，就有可能形成两个时间进展方向叠加的状态。

这份研究的另一位作者西班牙巴利阿里群岛大学（University of the Balearic Islands）的贡萨洛·曼萨诺（Gonzalo Manzano）说：“我们的研究观测了一个具有量子叠加态系统内熵的变化。当系统增加的熵达到非常少量的情形下，我们可以观测到系统同时向两个时间轴方向演化的现象。”

鲁比诺说，这项研究不仅启发人们重新思考在微观世界内对时间概念的定义，对量子热力学系统也有重要的潜在用途，比如热机和制冷机的设计。“人们理所当然地认为时间只会持续不断地向前推进。我们的研究表明，在量子力学所主宰的世界里，情况比这复杂得多。这意味着我们得重新思考对时间的认知，特别是在微观世界中的情形。”