時間的箭頭：我們為什麼只記得過去而非未來

比利時布魯塞爾自由大學的理論物理學家研發了量子理論的一個完全對稱方程式，它確定了不對稱性與我們可以記住過去而非未來這一事實之間的連接。

時間的箭頭：我們為什麼只記得過去而非未來

經典力學定律與時間方向是獨立存在的，但這在量子力學裡是否正確一直備受爭論。但達成共識的是主宰獨立量子系統的定律是時間對稱的，根據似乎只適用於時間向前移動的準則，測量會改變系統的狀態，且對這種效應的解釋存在差異。

現在布魯塞爾自由大學的理論物理學家提出了量子理論的一個完全時間對稱方程式，它確定了不對稱性與我們可以記住過去而非未來這一事實——這個現象被物理學家史蒂夫?霍金稱為時間的「心理學」箭頭——之間的連接。

這項研究提供了自由選擇和因果關係概念的新見解，並提出在物理學基本理論里不應該考慮因果關係。它還拓展了美國物理學家尤金?保羅?維格納(Eugene Paul Wigner) 提出的量子力學裡的奠基石定理，指出了尋找已知模型以外物理學的新方向。這些發現被發表在期刊《自然?物理學》上。

我們在當下做出的選擇可以影響未來事件而非過去事件這一觀點反映在標準量子理論準則里，也就是量子理論學家稱為「因果關係」的原則。

為了理解這一原則，文章作者分析了量子理論背景下選擇這一概念的真正意義。例如，我們認為一個實驗者可以選擇對某一個特定系統進行什麼樣的測量，但卻無法選擇測量的結果。相應的，根據因果關係原則，測量的選擇只與未來的測量結果有關，而測量結果可以與過去以及未來測量的結果都相關。研究人員因此提出，定義的特性——我們根據它來解釋變數描述了測量(取決於測量者的選擇)其實早在實際測量進行之前就已經知道了。

從這個角度看，因果關係原則可以被理解為在不同時間可以獲得的不同變數信息的限制。這一限制並不是時間對稱的，因為測量的選擇和測量的結果是後驗的。根據這項研究，這才是蘊藏在量子理論標準方程式里不對稱性的本質。

「量子理論的形成是基於不對稱概念，它反映了我們了解過去並對預測未來感興趣的事實。但是可能性這一概念是獨立於時間的，從物理學家的角度看，試圖從本質對稱的角度形成理論也是說得通的，」文章首席作者奧格尼揚?奧爾什科夫(Ognyan Oreshkov)這樣說道。為了達到這個目的，作者提出採用測量的一個新概念，這一概念的定義不只是基於過去的變數，也可以依賴未來的變數。「在我們提出的方法里，測量不僅被解釋為取決於『個體』的自由選擇，也描述了不同時空區域可能事件的信息。」文章合作作者、布魯塞爾自由大學量子信息與通信中心主任尼古拉斯?科夫(Nicolas Cerf)這樣說道。

遵循這一方法的量子理論時間對稱方程式里，因果關係和時間的心理學箭頭原則都產生於物理學家所謂的邊界條件——根據理論進行預測所基於的參數，但這些參數的值原則上是隨意的。因此，例如根據這一新方程式，可以想像在宇宙某些部分因果關係可能是不成立的。

時間對稱方程式的另一個結果便是對維格納提出的基本定理的延伸，這些基本定義描述了物理對稱性的數學表徵，是理解很多現象，例如存在什麼基本粒子的中心。這項研究顯示了在新的方程式里，對稱性可以體現在標準方程式不允許存在的方式上，這或可能具有意義深遠的物理學含義。其中一種可能性便是這樣的對稱性可能與量子引力理論有關，因為它們具備被推測只發生在黑洞存在的情況下的轉變形式。

「我們的工作顯示了如果我們相信時間對稱性是物理學基本定律的特性，我們必須考慮標準量子理論構想以外的現象的可能性。至於這種現象是否存在，以及我們去哪裡尋找它們則是一個巨大的開放性問題。」 奧爾什科夫解釋道。

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