量子實驗揭示了時間是如何從糾纏中“浮現”出來的

量子實驗揭示了時間是如何從糾纏中“浮現”出來的

當量子力學的新思想在20世紀上半葉像野火一樣在科學中蔓延時,物理學家做的第一件事就是把它們應用到引力和廣義相對論中。結果並不好。很明顯,現代物理學的這兩個基礎是完全不相容的。當物理學家試圖將這些方法融合在一起時,得到的方程被無窮無盡的東西所迷惑,結果根本無法解釋。

然後在20世紀60年代中期,有了一個突破。物理學家約翰·惠勒和布萊斯·德維特成功地將之前不相容的觀點結合在一起,得到了一個關鍵的結果,這個結果後來被稱為惠勒-德維特方程。這很重要,因為它避免了無窮大的麻煩——一個巨大的進步。

但物理學家們很快就意識到,儘管惠勒-德維特方程解決了一個重要問題,但它引入了另一個問題。新的問題是時間在這個等式中沒有作用。實際上,它說宇宙中從來沒有發生過任何事情,這一預測顯然與觀測到的證據相矛盾。

量子實驗揭示了時間是如何從糾纏中“浮現”出來的

這個被物理學家稱為“時間問題”的難題,已被證明是現代物理學家的肉中刺,他們試圖忽視它,但收效甚微。然後在1983年,理論學家唐·佩奇和威廉·伍德斯提出了一個基於量子糾纏現象的新解決方案。這是兩個量子粒子共同存在的奇異性質,即使它們在物理上是分開的。

糾纏是一個深刻而強大的連結,Page和Wootters展示了它如何用於衡量時間。他們的想法是,一對糾纏粒子的演化方式是一種可以用來衡量變化的時鐘。但結果取決於觀察的方式。一種方法是將糾纏粒子的變化與完全獨立於宇宙的外部時鐘進行比較。這相當於宇宙外的神一樣的觀察者使用外部時鐘測量粒子的演化。

在這種情況下,Page和Wootters顯示出粒子會完全不變——在這種情況下時間不會存在。但是還有另一種方法可以得到不同的結果。這是一個宇宙內部的觀察者比較粒子和宇宙其他部分的演化。在這種情況下,內部觀察者會看到一種變化,這種糾纏粒子與其他粒子演化的差異是一種重要的時間度量。

量子實驗揭示了時間是如何從糾纏中“浮現”出來的

這是一個優雅而有力的想法。它表明時間是一種突現現象,它的產生是由於糾纏的本質。它只存在於宇宙內部的觀察者。正如惠勒-德維特方程所預測的那樣,任何一個像上帝一樣的局外人都能看到一個靜止不變的宇宙。

當然,如果沒有實驗驗證,佩奇和伍德的想法只不過是一種哲學上的好奇心。而且,由於在宇宙之外永遠不可能有一個觀察者,所以似乎沒有多少機會去驗證這個想法。

直到現在。今天,義大利都靈的計量科學研究所(INRIM)的葉卡特琳娜·莫雷瓦和幾個朋友對佩奇和伍德特斯的想法進行了第一次實驗測試。他們還證實,對於“內部”觀察者來說,時間確實是一種突現現象,而對於外部觀察者來說則是一種缺席現象。

量子實驗揭示了時間是如何從糾纏中“浮現”出來的

這個實驗包括創造一個由一對糾纏光子和一個觀察者組成的宇宙,這個觀察者可以用兩種方式之一來測量它們的狀態。首先,觀察者透過與系統糾纏來測量系統的演化。在第二個實驗中,一個像上帝一樣的觀察者用一個完全獨立於玩具世界的外部時鐘來測量進化。

實驗細節很簡單。糾纏光子每一個都有極化,透過雙折射板可以改變極化。在第一個裝置中,觀察者測量一個光子的偏振,從而與之糾纏。然後他或她將其與第二個光子的極化進行比較。區別是時間的度量。

在第二個裝置中,光子再次透過雙折射板,而雙折射板改變了它們的偏振度。然而,在這種情況下,觀察者只能透過將兩個光子與一個獨立的時鐘進行比較來測量它們的全域性特性。

在這種情況下,觀察者無法在不與其中一個光子糾纏的情況下探測到光子之間的任何差別。如果沒有區別,系統就會顯示為靜態。換句話說,時間沒有出現。

這是一個令人印象深刻的實驗。湧現是科學界的一個流行觀點。尤其值得一提的是,物理學家最近對引力是一種新興現象的觀點感到興奮。因此,認為時間可能以類似的方式出現,只是邁出了相對較小的一步。

當然,湧現重力所缺少的是一個實驗演示,來展示它在實踐中是如何工作的。這就是為什麼這相工作意義重大。它第一次把一個抽象而奇異的想法置於堅實的實驗基礎上。

也許最重要的是量子力學和廣義相對論並不是那麼不相容。從糾纏的角度來看,著名的“時間問題”就會煙消雲散。下一步將是進一步推廣這一理念,尤其是在宏觀層面。對於光子來說,時間是如何產生的是一回事,而對於更大的物體,比如人類和火車時刻表,時間又是如何產生的又是另一回事。

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