布里斯托尔大学、维也纳大学、巴利阿里群岛大学和维也纳量子光学和量子信息研究所（IQOQI-Vienna）的一个物理学家团队展示了量子系统如何同时沿着两个相反的时间箭头向前和向后演化。

这项研究发表在最新一期的《通信物理学》上，人们需要重新思考在量子法则发挥关键作用的情况下，应如何理解时间流，以及它是如何呈现出来的。

几个世纪以来，哲学家和物理学家一直在思考时间的存在问题。然而，在现实世界中，人们不会怀疑时间的存在和推进。事实上，在自然界中，各种过程倾向于从无序程度较低的状态自发地演变为无序程度较高的状态，而这种演变可以用来确定时间。在物理学中，人们用“熵增”对其进行描述，熵是定义系统中无序程度的物理量。

科学家说：“如果一个现象产生了大量的熵，那么观察它的时间反转是不可能的。然而，当熵足够小时，观察一个现象的时间反转自然发生的概率是不可忽略的。”

“例如，如果我们看到牙膏从牙刷自发地回到牙膏管里，我们会认为时间发生逆流了。但是，如果我们轻轻挤压牙膏管，使牙膏只露出一小部分，如果它自发地回到牙膏管里，我们就无法断定是时间发生了逆流（假设会发生），还是被大气压挤回牙膏管里的。”

该研究的作者将这一想法应用于量子领域，其特殊性之一是量子叠加原理，根据这一原理，如果一个量子系统的两种状态都是可能的，那么该系统也可以同时处于两种状态。

科学家说：“虽然这个想法在应用于日常生活时显得相当无厘头，但在其最根本的层面上，宇宙的规律是基于量子力学原理的。这就提出了一个问题：为什么我们在自然界中从未遇到过这些时间流的叠加现象。”

来自巴利阿里群岛大学的合著者冈萨洛·曼扎诺博士（Gonzalo Manzano）说：“在我们的工作中，我们量化了一个系统在量子叠加过程中产生的熵，该过程具有相反的时间箭头。我们发现这通常会导致将系统投射到一个定义明确的时间方向上，对应于两个过程中最可能的过程。然而，当涉及到少量的熵时，那么人们就可以从物理上观察到系统同时沿向前和向后的时间方向演化的后果。”

这项工作在量子热力学方面也具有实际意义。将量子系统置于交替时间箭头的叠加中，可以在热机和冰箱的性能方面提供优势。

科学家说：“虽然时间经常被当作一个持续增加的参数，但我们的研究表明，在量子力学背景下，支配其流动的规律要复杂得多。这可能表明，我们需要重新思考我们在所有那些量子定律发挥关键作用的背景下，表示这一个参数的方式。”

该研究论文题为"Quantum superposition of thermodynamic evolutions with opposing time’s arrows"，已发表在《通讯物理》期刊上。

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参考资料：https://www.nature.com/articles/s42005-021-00759-1

标签： 物理 量子 时间