“量子纠缠驱动时间之箭”有道理么?

原文:https://www.simonsfoundation.org/quanta/20140416-times-arrow-traced-to-quantum-source/

咖啡冷去、建筑物倒塌、鸡蛋破裂和星星黯淡消失,宇宙似乎在不可避免的走向热平衡。天文学家、哲学家Arthur Eddington爵士在1927年就以能量的逐渐均衡作为时间之箭的不可逆转的证据。然而,时间之箭看上去并没有遵循基本的物理学法则。根据物理学法则,如果能知道宇宙所有粒子的路径,我们可以将其逆转,积累而不是分散能量,让冷却的咖啡逐渐升温,让建筑物从废墟中再次屹立,星星再次发光。现在,物理学家给出了一个时间起源的答案:量子纠缠驱动了时间之箭,能量分散和达到均衡的过程中,基本粒子相互纠缠起来。咖啡冷去,因为咖啡的状态与所在房间的状态形成了纠缠,无法再走回头路。MIT教授Seth Lloyd发现,在粒子与其它粒子建立起纠缠的过程中,单个的粒子失去了它们的个性,成为集体状态的一部分,单个粒子不再包含任何信息,集体包含了所有信息。此时粒子抵达了均衡态停止变化,就像咖啡冷却到室温。

“在粒子与其它粒子建立起纠缠的过程中,单个的粒子失去了它们的个性,成为集体状态的一部分,单个粒子不再包含任何信息,集体包含了所有信息。”感觉有点似是而非。

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6个答案
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章鱼喵.时见疏星理论物理专业,西夏文爱好者

2014-04-22 03:40

从简:只看下面红色加粗的那段话。

另,一个公式都没写,所以看看大概就行了。老觉得统计物理跟量子力学和相对论也没差,没公式的科普不能算科普,应该叫轶闻。

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我还没有来得及看这篇新的论文,但是这篇论文里面后面三个作者 Sandu Popescu, Anthony J. Short, 和 Andreas Winter 在 2006 年的时候在 Nature Physics 发表过一篇文章(http://www.nature.com/nphys/journal/v2/n11/abs/nphys444.html),当时读过之后觉得真是觉得太惊艳了。虽然类似的想法很早就有了,但是没有足够详细的理论证明,而他们论文中的证明方法真的是很聪明。这让我想起来当年 Verlinde 发表第一篇熵力的论文的时候,有些教授就说,嗨,这东西难道不是大家公认的么?

## 背景

首先要说明一下这里要讨论的问题。科普文中说的,要讨论的是为什么一个系统会朝着一个特定的方向演化,我们可以根据这个方向唯一的确定一个时间的方向,就是所谓的热力学时间箭头。
时间在我们的物理理论中是个外部参数(直到最后的时间量子化),是个非常特殊的量,即便我们说相对论中时间和空间的等价性,实际上时间依然是个很特殊的量。理解热力学时间箭头,可以帮助我们理解时间的真正含义。

第一个问题就是,为什么这会是一个问题?难道这不是热力学第二定律么?这里的问题在于,我们的力学体系都是可逆的,两个小球碰撞 ,甚至量子的小球碰撞,都是可逆的,那么为什么由这些小球组成的系统就变成不可逆的了呢?

这个问题早在一百多年前就被非常非常明确的指出来了。当时人们还没有确定分子原子的存在,但是有个天才 Boltzmann 已经利用分子模型做出来了统计物理。然后他发现了一个非常奇怪的描述物理体系的量,就是 H,这个量特殊在,即便对于一个是完全由可逆的小球碰撞组成的体系,这个量也是单向的,一直减小的,直到平衡。这说明,即便是对于一个由完全可逆碰撞的小球组成的体系,也存在着一个演化方向。这个就是著名的,影响了几代人甚至杀死了几代人的 H 定理。

当时 Loshmit——Boltzmann 的竞争对手,说:你这没道理嘛,如果我们让某一时刻的所有运动都逆转,难道体系不会倒过来演化么?Boltzmann 反驳说,H 定理是个统计规律,定理证明过程中用到的运动都是统计平均,所有不存在让某个时刻的所有运动倒过来的问题。(这样说可能说不清楚,这个在 H 定理的证明过程中可以看到很明白。)另外 Zermelo 也提出了疑问,觉得体系一定会有一个重现的问题,然后 Boltzmann 生气的说,那你等吧,等到天荒地老,等到海枯石烂,等到日月无辉,等到宇宙终结,看看你能等来不。当然,我只是通过杜撰这句话来表示 Boltzmann 已经快绝望了。他后来举枪自杀了。后来的计算表面这个要让一个一般的体系重新现在的状态,需要等待的平均时间要比宇宙现在的年龄还长。

历史讲完了。总之,这个问题源远流长。


## 量子

当然了,世界是量子的。所以 Boltzmann 的 H 定理的证明并不描述一个真正的物理体系。我想他的证明的伟大的地方在于,说明了宏观物体的性质并不是单单由组成这个体系的基本粒子的性质决定的,而是在大量粒子出现之后,演生出来的。这是一个非常伟大的思想,也是对还原论一个非常有力的打击。

我们来想一下量子会对这个问题有什么改变。量子有个问题是,存在一个纠缠问题。两个空间上不相关的粒子可能是纠缠在一起的,决定其中一个的状态就知道另一个的状态。

**那么我们可以设想,我们有一杯咖啡,咖啡里面的分子原子是跟外界环境的分子原子纠缠在一起的,这样当咖啡和整个外界环境一起演化的时候,咖啡的状态信息就跑到环境中了。然而环境几乎是无穷大的,所以想要丢失的这些信息回到咖啡中来,几乎是不可能的。所以咖啡就一直在丢失信息,知道某个时候,它变得像环境一样混沌杂乱。**

(上面这段加粗就是重点了。整个这个答案其实就说这段加粗的话就够了。)

这类想法大家很早就有了,所以就像我一开始举得例子一样,肯定有人会说 Sandu Popescu 他们的工作难道不是常识么?

Sandu Popescu 他们在 06 年的那篇 Nature Physics 中用到了一个非常聪明的方法,他们用量子信息的方法证明了体系和环境纠缠在一起这个概念跟 Boltzmann 的 canonical 系统在量子态空间的距离是可以无限小的。而 canonical 系统是经过大量的实验和理论验证的,所以在一定程度上解释了这个想法的正确性,并且他们这种方法还可以用于环境和体系不是弱作用的情况。这样就可以抛弃一百多年前的老旧的统计物理了。但是当时他们在论文中提到他们之后会研究动力学。

看来就是这篇新的文章(http://arxiv.org/abs/0812.2385 )了。这里他们证明了利用上面的量子纠缠的思路,几乎任何跟环境接触的子系统都会到达一个平衡态,并且这个平衡态跟环境的具体的微观构成无关。
(我没读文章内容,就算读一时半会儿也读不懂。。。)

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紫衣铭宸本科自动化,硕士物理学

2014-04-22 18:50

在物理本质上,只有热力学第二定律是随时间不可逆的。而量子纠缠之类,时间反演同样成立,所以此话是错的。
另:“热寂说”为错误观点,理由有以下两点:1.由于宇宙膨胀,它的组分相互会脱耦,从热力学平衡态发展到不平衡态,从温度均匀到产生温差;2.宇宙为自引力系统,具有负热容,是不稳定的热力学系统,不具有平衡态,不能将通常的热力学第二定律应用其上。

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若隐若现的伤感物理狂热爱好者,科幻小说写手,什么都知道的生活家...

2014-04-19 11:33

三种箭头 热力学箭头 心理学箭头 宇宙学箭头

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你可以走回原地,可是时间已经消逝了无法再回来了.

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纠缠!不知道谁翻译的总觉得很奇怪,纠缠难道不是牵绊或者羁绊的意思?

0 3

宇宙不是人类可以理解的,以现有的物理知识去理解注定错误。

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