在量子級別上實現時光倒流

時間為什麼只能前進不能倒退，這是科學界的一個未解之謎。現在科學家們使用「量子時光鏡」，可以在非常小的量子尺度上逆轉時間。研究人員表示，這種現象已經得到證實，在未來的某一天可以幫助量子計算機之類的機器自我檢查錯誤。

「啊！要是時間能夠倒流，我們能夠把昨天召喚回來」，莎士比亞話劇《理查二世》中薩里斯伯雷伯爵那徒勞的懇求讓人印象深刻，因為觀眾們知道時間馬不停蹄地向前行進，而不會倒退。

然而，目前用於描述宇宙的物理學基本定律，從量子力學到廣義相對論，無論時間箭頭的指向如何，它們都是成立的。19世紀的奧地利科學家Josef Loschmidt提出了這樣一個難題：為什麼時間理論上是可以雙向流動的，但實際上只能表現為單向流動。這也被稱為洛施密特悖論。

牛奶不會將自己從咖啡中分離出來，煎蛋不會變回雞蛋，打碎的花瓶也不會自動復原。根據19世紀奧地利物理學家Ludwig Boltzmann對熱力學第二定律的解釋，任何孤立系統都有朝著無序狀態發展的趨勢。也就是說，事物將分崩離析。

儘管如此，Loschmidt依然堅持有可能從本質上扭轉時間，想像一下，有一個守護神，他可以讓所有的粒子停下，並反向它們的速度，讓粒子回到原來的地方。

多年以來，科學家們創造了很多版本的Loschmidt守護神。例如，1950年，研究人員利用無線電波脈衝成功地逆轉了原子核旋轉的方式，使它們變回了原來的狀態。這些自旋迴波如今成為了核磁共振成像這類掃描技術的核心科技。

以前，科學家們也為聲波、電磁波還有水波創造了「時光鏡」。這些鏡子通常是天線或者麥克風陣列，它們記錄入射波並將其反向版本送回發射源。

然而，德國雷根斯堡大學的凝聚體物理學家Klaus Richter說，能在奇幻的量子物理領域工作的時光鏡不太可能存在，因為物質和能量都像幽靈一般。比如，粒子可以同時存在於兩個地方，或者同時向兩個方向旋轉。之前的時光鏡只是記錄信號，但是量子現象是十分脆弱的，它會受到觀測行為的影響。

石墨烯因其優秀的性能，近年來受到很多研究的青睞。Richter和他的同事設計了一個用石墨烯薄片實現的量子時光鏡。在量子物理學中，粒子有時會顯示出波動性。在石墨烯的晶格當中，電荷可以以波的形式傳播，這些電荷中，負電荷以電子的形式存在，正電荷以空穴的形式存在。

在石墨烯中，電子和空穴移動速度相同，方向相反。Richter表示，它們行為的相反性令石墨烯成為了製作時光鏡的理想材料。

研究人員計算得出，向石墨烯發射一個激光脈衝可以瞬間觸發「極性反轉」——電子變成空穴，空穴變為電子。這種反轉行為可以令粒子回到過去。研究人員可以用現有技術製作出這樣的量子時光鏡。

雖然這項工作不是為了測試時間逆轉的極限，但是當實驗的不足之處被逐一克服，它的限制就會自動顯現出來。阿根廷科爾多瓦國立大學的量子物理學家Horaclo Pastawsk指出，一旦系統變得複雜和混亂，時間逆轉將不會發生。

Richter強調，這個量子時光鏡只適用於隔絕環境擾動的微小系統中。「想要在人身上實現時間倒流是不可能的。然而，探究能夠實現時光倒流的最大系統是多大，是這項研究的發展前景。

科學家還可以使用其它材料來設計量子時光鏡，例如內部絕緣而表面導電的拓撲絕緣體，Richter說：「關於石墨烯的研究已經十分成熟，科學家現在可以製作超凈石墨烯，這樣時光鏡就能變得非常乾淨。」

Richter表示量子時光鏡將來可以在量子計算機等設備中進行探測活動。紐西蘭奧克蘭州梅西大學的理論物理學家Joshua Bodyfelt指出，這項技術的另一個可能應用是編碼秘密信息，我們可以在數據脈衝中將數據編碼，經過傳輸後，利用時間倒流得到原始數據。

[bakako via insidescience]

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