巴西、英國和德國科學(xué)家最近的一項實驗實現(xiàn)了熱從冷的物體向熱的物體的自發(fā)流動，這完全違反了熱力學(xué)第二定律的經(jīng)典表述，由熱力學(xué)第二定律定義的熱力學(xué)時間箭頭也相應(yīng)地被反轉(zhuǎn)。人類是否制造了時間機器回到未來？

Fig.熵與無序性

在熱力學(xué)的經(jīng)典表述中，熱力學(xué)第二定律說孤立系統(tǒng)的熵不會減小，所有的自發(fā)反應(yīng)都是熵增加的方向。宏觀上，熵通過平衡系統(tǒng)與環(huán)境的熱交換來定義；微觀上，熵是系統(tǒng)混亂程度的度量。經(jīng)典熱力學(xué)的全部內(nèi)容都建立在經(jīng)驗觀測和有限的數(shù)學(xué)上，這些經(jīng)驗觀測從來未被推翻過，也就是說從19世紀(jì)中葉以來熱力學(xué)的第零、第一、第二、第三定律一直是許多科學(xué)領(lǐng)域里的鐵律。物理學(xué)家 Lídia del Rio 曾寫道：“熱力學(xué)定律就像一位女巫，很多人認為她有些奇怪，都想在她身上發(fā)現(xiàn)點什么，但沒有人敢和她起正面沖突。”

時間箭頭是亞瑟·斯坦利·愛丁頓爵士1927年提出的概念，用來描述時間的非對稱性，即時間的方向。在微觀上，幾乎所有的物理過程都是時間對稱的，即在時間反轉(zhuǎn)的條件下所有的理論表述仍然正確。但是在宏觀上，時間的方向是直觀和明顯的，比如墨汁在水里的擴散、熱不會自發(fā)地從冷的物體向熱的物體流動等等，這些時間相關(guān)的現(xiàn)象永遠不會自動反過來。熱力學(xué)第二定律說自發(fā)反應(yīng)方向即熵增加的方向，因此熵增加的方向也就是宏觀時間箭頭的方向。

Fig.2 熱力學(xué)時間箭頭

熱力學(xué)在微觀或者量子尺度是否仍然有效？從1980年代英國物理學(xué)家Kolsoff開始探索這個問題到近年來隨著量子尺度理論和實驗的發(fā)展，量子熱力學(xué)逐漸成為一個熱門領(lǐng)域，已有數(shù)百位理論和實驗科學(xué)家在做相應(yīng)的研究，如溫度、熱等基于大量粒子統(tǒng)計行為的概念和圖景在量子尺度上是否仍然適用、自由能在量子尺度上的從新定義、在傳統(tǒng)熱力學(xué)內(nèi)容之外的不同尋常的物理過程等等。目前已經(jīng)有多個量子尺度的實驗看上去違反了熱力學(xué)定律，比如Schaetz等人的聲子反射對粒子自旋漲落的增強，Kosloff等人的金剛石量子熱機等；在理論上，F(xiàn)reitas等人闡釋的量子冰箱在接近絕對零度時由于自發(fā)產(chǎn)生光子而使系統(tǒng)永遠不能到達絕對零度，Bera等人闡釋的初始為量子糾纏的系統(tǒng)使得冷源更冷、熱源更熱的過程等等。

在巴西物理學(xué)家Micadei和Peterson以及英國物理學(xué)家Serra、德國物理學(xué)家Lutz等人的實驗中，13C標(biāo)記的CHCl3丙酮稀溶液被置于超導(dǎo)磁體中并使得具有1/2自旋的13C核與1H核形成2-量子比特的量子系統(tǒng)。隨著實驗的進行， 13C核與1H核的關(guān)聯(lián)度逐漸減弱，量子比特的狀態(tài)數(shù)因而逐漸減少，與系統(tǒng)混亂程度相關(guān)的熵因而也變小；同時，冷的量子比特變得更冷，熱的量子比特變得更熱。實驗所進行的自發(fā)過程反轉(zhuǎn)了熱力學(xué)時間箭頭的方向。熱力學(xué)第二定律被打破了嗎？

Fig.3 經(jīng)典系統(tǒng)與量子系統(tǒng)各自的熵變情況

150年前麥克斯韋有一個著名的思想實驗。他的假想是，如果有一個妖怪能根據(jù)分子的運動速度通過一個開關(guān)把速度快的分子放到一邊從而獲得較高的溫度，同時把速度慢的分子放到另一邊從而獲得較低的溫度，那么便可以根據(jù)溫度的差異抽取出有用的能量。問題是這個妖怪除了操作開關(guān)之外對那些分子本身并沒做功。妖怪的行為違反了熱力學(xué)第二定律。事實上，物理學(xué)家逐漸意識到，妖怪必須要付出熱力學(xué)代價來處理有關(guān)分子運動速度的信息。它必須在它的腦子里存儲、刪除、改寫那些信息，這些過程需要消耗能量并會使總的熵增加。信息曾被認為是非物質(zhì)的，但是麥克斯韋妖表明，信息可以有物理的客觀效應(yīng)。

Fig.4 麥克斯韋妖

Micadei和Serra等人的實驗實質(zhì)上在他們的孤立量子系統(tǒng)中反轉(zhuǎn)了熱力學(xué)時間箭頭。Serra說：這一反轉(zhuǎn)是量子關(guān)聯(lián)與熵之間的交易，是量子關(guān)聯(lián)的減弱使得熱從冷的量子比特流向了熱的量子比特；實驗結(jié)果表明，時間箭頭并非一個絕對的概念，它強烈取決于初始條件的選擇，因而是相對的。在Micadei等的報道之前，法國科學(xué)家Przadka等2012年的水的引力毛細波實驗和ETH Zurich科學(xué)家Hofmann等2016年的GaAs/AlGaAs量子點理論和實驗研究中也都曾實現(xiàn)過時間反轉(zhuǎn)。

量子熱力學(xué)時間箭頭的實驗以及理論并沒有讓我們離制造時間機器更近，但有可能推進我們對宇宙起源的思考。宇宙學(xué)中長久以來困擾人們的迷題之一是，為什么宇宙起源于一個熵值極低的狀態(tài)，從而允許熵在整個宇宙的發(fā)展歷史中隨著時間不斷增加。熵與量子糾纏相結(jié)合，Serra希望他們的實驗對宇宙時間箭頭的討論也能有所促進。