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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説明量子電腦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。 這些自旋回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, 向石墨烯發射一個雷射脈衝可以瞬間觸發“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淨石墨烯, 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電腦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資訊, 我們可以在資料脈衝中將資料編碼, 經過傳輸後, 利用時間倒流得到原始資料。

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