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时间竟然也有量子特性

2019-08-26  dyrchjiu

时间竟然也有量子特性

该示意图展示了在一场星际飞船的演习中,这两艘飞船互相开火。在量子现象主导的未来时代,一种邪恶的宇宙力量可以将一颗叠加态中的行星放置在其中一艘飞船附近,这便能够导致两艘星际飞船同时被对方摧毁。

量子力学具有各种奇怪的特性,其中之一就是量子叠加现象——粒子似乎能够同时处于两个或两个以上的位置或状态的特殊情况。据美国科学促进会(AAAS)运营的全球科技新闻服务网站优睿科8月22日消息称,由美国史蒂文斯理工学院(Stevens Institute of Technology,简称SIT)、奥地利维也纳大学(University of Vienna)和澳大利亚昆士兰大学(University of Queensland)组成的一个国际物理学家团队对于这一说法反其道而行之,他们在《自然通讯》杂志8月22日刊发的一篇研究论文中表明,粒子并不是唯一可以在叠加态中存在的物质,时间本身也可以。

SIT量子科学与工程中心的物理学家Igor Pikovski介绍道:“事件的顺序可以被量子力学化。我们研究的是量子时间顺序,其中一个事件与其导致的另一个事件之间不存在任何区别,反之亦然。”

这篇论文是第一批揭示时间量子特性的研究之一。在量子特性中,时间流动方向不是笔直地向前,而是在向前和向后的方向上因果共存。在即将到来的量子计算机时代,这项研究有着特殊的前景和意义——采用量子序列来执行操作的量子计算机可能要优胜于只使用固定序列操作的设备。

为了展示这一理论场景,Pikovski的团队融合了两个看似矛盾的理论——量子力学和广义相对论——来进行一个思维实验(Gedanken experiment,一种利用想象力来研究事物本质的方法)。该研究小组首先提出了这样一个问题:“如果一个时钟受到了一个处于量子叠加态中大质量物体的影响,即同时在远处和近处被该物体所影响,测量结果会是什么呢?”

根据广义相对论的原理,一个大质量物体的存在会减慢时间的流动,因此,一个放置在大质量物体附近的时钟会比放置在更远处的相同物体上的时钟运行得更慢。为了说明这一论断,该文章举了一个例子。两艘星际飞船正在为一个任务进行训练,他们接到命令要在指定时间点向对方开火,并在另一个时间点避开炮火,这样每艘船都知道确切的开火时间和躲避时间。如果任何一艘飞船太早开火,它将摧毁另一艘飞船,这样,在这一系列开火事件之间,就建立了一个明确无误的时间先后顺序。然而,如果一个强大的力量可以放置一个足够巨大的物体——比如一颗行星——靠近其中的一艘飞船,那么它就会减慢这艘飞船上面时间的流动。这便导致这艘飞船来不及躲避炮火而被摧毁。

如果将量子力学考虑进来,这个问题便被复杂化了。当把这颗处于叠加态的行星放在其中一艘飞船附近时,这两艘船都可以即同时被摧毁,又同时幸存下来。换句话说,事件的发生顺序是以叠加态的形式存在,这样每艘星际飞船同时摧毁了另一艘。作者在这篇论文中,首次阐明了这种量子场景是如何发生的,以及可以如何被验证。Pikovski解释道:“要真正移动行星是非常困难的,但是借由对它进行想象,能帮助我们研究了之前未知的量子层面的时间特性。”

原创编译:朱明逸 审稿:阿淼 责编:唐林芳

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