北京
如果時間不是宇宙自帶的屬性，而是系統(tǒng)內(nèi)熵變悄悄畫下的刻度，你會怎么想？這聽上去像哲學囈語，但最近，英國伯明翰大學的一組物理學家用一罐冷到極致的原子，把“時間的涌現(xiàn)”變成了可以觀測的實驗室現(xiàn)象。他們在完全不借助外部時鐘的條件下，只靠系統(tǒng)內(nèi)部粒子的分布變化，就記錄下了事件發(fā)生的先后順序，并且讓時間的流動方向與快慢直接掛鉤于熵——也就是混亂程度——的重新分配。
這個實驗的起點，是一團由24000個超冷原子構(gòu)成的量子“迷你宇宙”。巴隆蒂尼教授把原子降溫到絕對零度以上僅數(shù)十億分之一度，再用兩束頻率不同的激光拉起一道極薄的屏障，把原子云分隔為“明亮區(qū)”和“黑暗區(qū)”。明亮區(qū)會反復(fù)膨脹和收縮，就像一個小型宇宙在經(jīng)歷從大爆炸到大擠壓的循環(huán)。整個系統(tǒng)被密封隔離，切斷一切外部計時信號的注入途徑，從根本上杜絕了“用鐘看時間”的可能性。
原子可以在明亮區(qū)和黑暗區(qū)之間自由遷移，每次進出都會改變系統(tǒng)的粒子分布。研究人員發(fā)現(xiàn)，一旦這種分布增加或減少，系統(tǒng)就等效地在時間軸上向前移動；而當分布維持不變時，時間也隨之凍結(jié)。巴隆蒂尼將這種現(xiàn)象命名為“熵時間”。它呈現(xiàn)出三個清晰特征：單向流動，形成一條不可逆的“時間箭頭”；能夠正確編排事件先后，即使這個袖珍宇宙自身在膨脹和收縮；流動速度會隨熵的重新分布而加快或減慢。
這個發(fā)現(xiàn)呼應(yīng)了惠勒-德維特方程等量子引力理論中一個耐人尋味的暗示：時間可能并非宇宙的基本構(gòu)件，而是一個無變化的整體量子態(tài)中，不同子系統(tǒng)之間關(guān)系的投影。巴隆蒂尼本人也點出了其中的矛盾：在一些理論里時間并不是一個內(nèi)置特征，但日常經(jīng)驗卻一遍遍告訴我們時間堅定地從過去邁向未來，這與眾多基本物理定律的時間反演對稱性看似相悖。當方程本身不區(qū)分過去與未來時，我們?yōu)楹螘惺艿饺绱祟B固的箭頭？他用這個無鐘實驗給出了一條線索——時間或許就是熵增過程中自然浮現(xiàn)的秩序。
一次用超冷原子構(gòu)建的“無鐘計時”，第一次把抽象的熵時間擺在了測量臺前。這意味著我們可以不再依賴嘀嗒的脈沖去尋找時間，而是從系統(tǒng)內(nèi)部熵增的腳印里讀出它的流向。這項刊登于《Physical Review Research》的工作，雖然離解開宇宙終極的時間之謎還有很遠，但它提供了一個可重復(fù)、可測試的框架，讓量子引力與時間本質(zhì)的猜想能從數(shù)學方程走進實驗室。對于一個糾纏了物理學幾個世紀的問題，哪怕只有一罐原子的如實回答，也足夠讓人興奮。
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