來自激光的衝擊可以在量子尺度上「逆轉」時間

作者：Charles Q. Choi

發表於：2017年4月14號

來源：AIP InsideScience

物理學家通過切換石墨烯中的正負電荷，製造出了第一個「量子時光鏡」。

Image credits:Tommaso Lizzul via Shutterstock

時間只能向一個方向流逝，是科學領域的巨大奧秘之一。而現在，科學家發現在某種意義上，「量子時光鏡」可以在非常小的、有時是反直覺的量子尺度上反轉時間。研究人員說，這種現象可以在一層原子厚度的碳薄片中得到驗證，並且未來可能用於量子計算機自檢等場合。

「哦，懷念昨天，希望時間倒流，」莎士比亞的《理查德二世》中，索爾茲伯里伯爵徒勞的懇求著。我們切身的體會到這個懇求的辛酸，因為觀眾知道時間持續地從過去走向未來，從不逆轉。

然而，目前描述宇宙物理學最完美的基本定律，從量子力學到廣義相對論，大部分在時間之箭指向未來或過去的時候都能生效。19世紀，奧地利科學家約瑟夫·洛希米特（Josef Loschmidt）提出了一個謎題：為什麼在物理理論上時間應該是雙行道、但實際中卻表現的像一個單行道一樣？這個難題被稱為洛奇密特的悖論。

就像加入咖啡的牛奶不會自己從咖啡中攪拌分離，炒雞蛋不再會變回雞蛋，打碎的花瓶不會自動復原。根據19世紀的奧地利物理學家路德維希·波爾茲曼（Ludwig Boltzmann）對熱力學第二定律的看法，任何孤立的系統都有退化成更無序狀態的趨勢——簡單說，物體趨向於分崩離析。

儘管如此，洛希米特爭論到，原則上應該有可能扭轉時間。比如，讓我們想像有一個「小妖精」，在某一時刻停止所有的氣體粒子的運動，並且反轉它們的速度，這樣它們從哪裡來就能回到哪裡去。德國雷根斯堡大學凝聚態物理學家克勞斯·里希特（Klaus Richter）說：「波爾茲曼反對洛希米特的觀點，如果可能，洛希米特應該直接演示他提出的想法。」

像為了應對這個挑戰一般，多年來，科學家們創造了各種各樣的洛奇密特的「小妖精」。例如，1950年，研究人員使用無線電波脈衝來成功地翻轉一團原子核的自旋，使得它們基本上演化回到原來的狀態。這些「自旋迴波」現在是掃描技術如MRI的核心。

之前，科學家為聲波、電磁波甚至水波創造了「時間鏡」。通常，科學家使用天線或麥克風陣列作為「鏡子」，他們記錄輸入波的信號，並反過來向波的源頭廣播與記錄方向相反的信號。

然而，里奇特說，儘管這種創造鏡子的方式似乎可以推廣到任何體系，但在某個領域這種方法卻似乎完全不能工作。在奇異量子物理起作用的時候，物質和能量表現的像幽靈一般——例如，同一個時刻，粒子可以存在於兩個或更多個地方，自旋可以同時沿相反方向旋轉…以前的「鏡子」需要記錄原始信號，之後才能對其進行反轉；但量子現象非常脆弱，任何測量都會破壞它們當前的狀態。因此「量子時間鏡」的實現遠遠難於傳統「事件鏡」。

現在，里奇特和他的同事們認為，他們設計的「量子時間鏡」可以使用石墨烯薄片來實現，每個石墨烯由蜂窩圖案的單層碳原子組成。石墨烯具有非凡的品質，近年來受到很多工業研究的青睞。例如，在相同質量下，石墨烯比鋼硬約200倍、透明，並且具有高導電性。

在量子物理學中，粒子的行為可以像波一樣，這就是我們說的「波粒二象性」。在石墨烯的晶格中，電荷包括帶負電荷的電子，和被稱為「空穴」的正電性的電子空缺。這些電荷可以像波浪一樣行進。

在石墨烯中，電子和空穴以相同的速度向相反方向移動。里奇特說，這種逆轉的性質使得石墨烯成為量子時間鏡的理想材料。

研究人員計算出，向石墨烯發射一束窄的激光脈衝可以瞬間觸發「粒子數反轉」，將電子與空穴對換。里奇特表示，這種反轉是一種「有效的時間反演」。研究人員補充說，利用最先進的技術，可以「製作」這樣的量子時間鏡。

阿根廷科爾多瓦國立大學的量子物理學家Horacio Pastawski指出，儘管這項工作不是為了測試時間逆轉的極限，基本限制可能會出現，尤其是在「當實驗中的問題被逐一克服」之後。他沒有參加這項研究，但他表示他自己的研究說明了一旦系統變得足夠複雜和混亂，時間逆轉可能會以某種方式變得無法實現。

里奇特強調，這個「量子時間鏡」只適用於隔絕環境擾動的小型系統。「完全不可能以這種方式來逆轉一個人的時間，」他說。 「然而，一個未來有趣的研究方向是研究「量子時間鏡」最大可以在多大的系統中實現其功能」。

里奇特說，「科學家還可能使用其它材料來設計『量子時間鏡』。例如內部絕緣但表面導電的拓撲絕緣體。然而，「石墨烯的研究很成熟，科學家們現在可以生產出超清潔的石墨烯，而『時間鏡』也需要非常清潔」。

里奇特認為，「量子時間鏡」未來可能應用於某些先進設備中，例如量子計算機，其理論上可以在一瞬間進行比宇宙中的原子數還要多的計算。

紐西蘭奧克蘭州梅西大學的理論物理學家約書亞·馬斯菲爾德（Joshua Bodyfelt）沒有參與這項研究，但他指出另一個潛在的應用是加密信息。「也許你可以把數據編碼成脈衝形式進行加密，並通過進行時間反轉以重新獲取數據」馬斯菲爾德說。

科學家們對其研究進行詳細分析的論文目前已經被《物理評論B》（Physical Review B）接收。

文章來源： 美國物理聯合會（AIP/American Institute of Physics）--InsideScience專欄 張錚錚供稿

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