德國科學(xué)家：時(shí)光倒流成為可能！可在量子級實(shí)現(xiàn)

時(shí)間為什么只能前進(jìn)不能倒退，這是科學(xué)界的一個(gè)未解之謎?，F(xiàn)在科學(xué)家們使用“量子時(shí)光鏡”，可以在非常小的量子尺度上逆轉(zhuǎn)時(shí)間。研究人員表示，這種現(xiàn)象已經(jīng)得到證實(shí)，在未來的某一天可以幫助量子計(jì)算機(jī)之類的機(jī)器自我檢查錯(cuò)誤。

目前用于描述宇宙的物理學(xué)基本定律，從量子力學(xué)到廣義相對論，無論時(shí)間箭頭的指向如何，它們都是成立的。19世紀(jì)的奧地利科學(xué)家Josef Loschmidt提出了這樣一個(gè)難題：為什么時(shí)間理論上是可以雙向流動(dòng)的，但實(shí)際上只能表現(xiàn)為單向流動(dòng)。這也被稱為洛施密特悖論。根據(jù)19世紀(jì)奧地利物理學(xué)家Ludwig Boltzmann對熱力學(xué)第二定律的解釋，任何孤立系統(tǒng)都有朝著無序狀態(tài)發(fā)展的趨勢。也就是說，事物將分崩離析。盡管如此，Loschmidt依然堅(jiān)持有可能從本質(zhì)上扭轉(zhuǎn)時(shí)間，想象一下，有一個(gè)守護(hù)神，他可以讓所有的粒子停下，并反向它們的速度，讓粒子回到原來的地方。

多年以來，科學(xué)家們創(chuàng)造了很多版本的Loschmidt守護(hù)神。例如，1950年，研究人員利用無線電波脈沖成功地逆轉(zhuǎn)了原子核旋轉(zhuǎn)的方式，使它們變回了原來的狀態(tài)。這些自旋回波如今成為了核磁共振成像這類掃描技術(shù)的核心科技。以前，科學(xué)家們也為聲波、電磁波還有水波創(chuàng)造了“時(shí)光鏡”。這些鏡子通常是天線或者麥克風(fēng)陣列，它們記錄入射波并將其反向版本送回發(fā)射源。

然而，德國雷根斯堡大學(xué)的凝聚體物理學(xué)家Klaus Richter說，能在奇幻的量子物理領(lǐng)域工作的時(shí)光鏡不太可能存在，因?yàn)槲镔|(zhì)和能量都像幽靈一般。比如，粒子可以同時(shí)存在于兩個(gè)地方，或者同時(shí)向兩個(gè)方向旋轉(zhuǎn)。之前的時(shí)光鏡只是記錄信號，但是量子現(xiàn)象是十分脆弱的，它會(huì)受到觀測行為的影響。石墨烯因其優(yōu)秀的性能，近年來受到很多研究的青睞。Richter和他的同事設(shè)計(jì)了一個(gè)用石墨烯薄片實(shí)現(xiàn)的量子時(shí)光鏡。在量子物理學(xué)中，粒子有時(shí)會(huì)顯示出波動(dòng)性。在石墨烯的晶格當(dāng)中，電荷可以以波的形式傳播，這些電荷中，負(fù)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(dòng)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制作時(shí)光鏡的理想材料。研究人員計(jì)算得出，向石墨烯發(fā)射一個(gè)激光脈沖可以瞬間觸發(fā)“極性反轉(zhuǎn)”——電子變成空穴，空穴變?yōu)殡娮?。這種反轉(zhuǎn)行為可以令粒子回到過去。研究人員可以用現(xiàn)有技術(shù)制作出這樣的量子時(shí)光鏡。

雖然這項(xiàng)工作不是為了測試時(shí)間逆轉(zhuǎn)的極限，但是當(dāng)實(shí)驗(yàn)的不足之處被逐一克服，它的限制就會(huì)自動(dòng)顯現(xiàn)出來。阿根廷科爾多瓦國立大學(xué)的量子物理學(xué)家Horaclo Pastawsk指出，一旦系統(tǒng)變得復(fù)雜和混亂，時(shí)間逆轉(zhuǎn)將不會(huì)發(fā)生。

Richter強(qiáng)調(diào)，這個(gè)量子時(shí)光鏡只適用于隔絕環(huán)境擾動(dòng)的微小系統(tǒng)中。“想要在人身上實(shí)現(xiàn)時(shí)間倒流是不可能的。然而，探究能夠?qū)崿F(xiàn)時(shí)光倒流的最大系統(tǒng)是多大，是這項(xiàng)研究的發(fā)展前景。

科學(xué)家還可以使用其它材料來設(shè)計(jì)量子時(shí)光鏡，例如內(nèi)部絕緣而表面導(dǎo)電的拓?fù)浣^緣體，Richter說：“關(guān)于石墨烯的研究已經(jīng)十分成熟，科學(xué)家現(xiàn)在可以制作超凈石墨烯，這樣時(shí)光鏡就能變得非常干凈。”

Richter表示量子時(shí)光鏡將來可以在量子計(jì)算機(jī)等設(shè)備中進(jìn)行探測活動(dòng)。新西蘭奧克蘭州梅西大學(xué)的理論物理學(xué)家Joshua Bodyfelt指出，這項(xiàng)技術(shù)的另一個(gè)可能應(yīng)用是編碼秘密信息，我們可以在數(shù)據(jù)脈沖中將數(shù)據(jù)編碼，經(jīng)過傳輸后，利用時(shí)間倒流得到原始數(shù)據(jù)。