物理学家发现量子领域中出现两个时间箭头的证据

几个世纪以来，科学家们一直在思考时间的箭头——即时间从过去向未来不可逆转地流动的观念。虽然在我们经验的现实中这似乎显而易见，但物理学的基本定律并不固有地偏向单一方向。无论时间是向前还是向后移动，方程都保持不变。

萨里大学的物理学和数学生物学副教授、研究的主要作者安德里亚·罗科博士表示：

“解释这一点的一种方式是，当你看到溢出的牛奶在桌子上扩散的过程时，很明显时间在向前流动。但如果你倒回去播放，就像电影一样，你立刻会知道有什么不对——很难相信牛奶能聚集回一个玻璃杯里。

“然而，有些过程，如摆的运动，在倒回的情况下看起来同样可信。谜团在于，从最基本的层面上看，物理定律类似于摆；它们并没有考虑不可逆过程。我们的研究发现，尽管我们共同的经验告诉我们时间只能向一个方向移动，但我们只是没有意识到，反方向同样是可能的。”

这项研究发表在《科学报告》上，探讨了量子系统——亚原子世界——如何与其环境互动，称为“开放量子系统”。研究人员调查了我们为何感知时间向一个方向移动，以及这种感知是否源于开放量子力学。

为了简化问题，团队做出了两个关键假设。首先，他们以一种方式处理围绕系统的广阔环境，以便他们能够仅关注量子系统本身。第二，他们假设环境——如整个宇宙——是如此之大，以至于能量和信息会消散到其中，从不返回。这种方法使他们能够检查时间如何作为单向现象出现，即使在微观层面上，时间理论上可以向两个方向移动。

即使在应用这些假设后，系统的行为无论时间是向前还是向后移动都保持相同。这一发现为开放量子系统中时间反转对称仍然成立的观点提供了数学基础——这暗示着时间的箭头可能不像我们经历的那样固定。

领导计算的博士后研究员托马斯·古夫表示：

“这个项目令人惊讶的部分是，即使在对描述开放量子系统的方程进行标准简化假设后，方程的行为在系统向前或向后运动时仍然相同。当我们仔细进行数学推导时，我们发现这种行为是必须的，因为方程的一个关键部分，‘记忆核’，在时间上是对称的。”

“我们还发现一个通常被忽视的小但重要的细节——一个不连续的时间因子出现，保持了时间对称性属性的完整。在物理方程中看到这样的数学机制是非常不寻常的，因为它不是连续的，而看到它如此自然地出现令人非常惊讶。”

这项研究为物理学最大谜团之一提供了新的视角。理解时间的真实本质可能对量子力学、宇宙学及其他领域产生深远的影响。