2009-08-28

Physicist Proposes Solution to Arrow-of-Time Paradox

物理定律中,一般藉由能量守恆描述時間不變量。也就是說,時間的逆轉,定律依然維持守恆。可事實上每天日常生活中,時間的對稱性永遠都是單向前進,未曾逆轉,灑落的牛奶不會流回瓶裡、破碎的花瓶也不會重組回去。不可逆過程透過熱力學第二定律表述「熵總是增加或者維持不變而已」。

 

一種可逆悖論也被稱之為「Loschmidt's 悖論」,這是從 1876 年,Johann Loschmidt 所提出。

科學家對這樣的謎題提供了許多的解答,嘗試在假設在低熵狀態下,將不可逆嵌入物理定律中。

Lorenzo Maccone 以量子力學在所有尺度均有效的基礎下,提出了一種新的方式來對付這項悖論。

[
Quantum Solution to the Arrow-of-Time Dilemma ]
他的理論表示熵能夠增加也能減少,雖然在一般現象中,它總是必須增加,卻也留下一絲蹤跡。熵可透過某種現象減少,該現象必須具備相對觀察者,現象就不會留下任何發生過的訊息,也就是說,這件事從來沒發生過!因為它沒有留下任何證據。
Maccone 認為熱力學第二定律是一個過於簡約的描述,物理學家由於信息的缺乏而無法研究熵的減少過程。這個解答允許了時間逆轉現象的存在(也就是符合了物理定律),但卻無法觀測(遵守熱力學第二定律)。

Maccone 利用兩個思維實驗來說明他的理念。他所陳述的兩種狀態,熵都會減少,所有過程訊息都被抹除掉。兩種情節中,系統中的熵在初始時都是增加,然後再減少。方法都是利用伴隨抹除記憶而使熵減少。熵減少的關鍵,在於系統中必須具有相對觀測。熵在「觀測、受測」系統中,交互作用也會減少他們的量子交換信息,當訊息被破壞,觀測者的記憶也隨之被破壞。

第一種熵減少狀態:初始零熵的狀態下,Bob 以光的形式傳送給 Alice 些能量。Alice 使用探測器收到光信號,並發現探測器變熱了。這就是在她孤立的實驗室中,熱已遺失且熵已增加的事實。

理論上,Bob 可將傳送給 Alice 的能量收回,並且抹掉所有能量曾經存在的證據,這包括 Alice 的記憶、探測器溫度上升的紀錄。
第一步:Bob 必須回到將能量回到零熵狀態。他抹除所有能量與 Alice 的關係,以及實驗室的巨觀系統關係。藉由抹除所有的初始相關條件,Bob 能夠使系統的熵減少,雖然減少相關的過程也需要能量,但可以不必要去引起熵的增加。

「任何物理轉換需要能量(沒有能量代表沒有時間演化,也就是靜態系統),但這不代表熵是需要增加的,熵的增加是能量消耗為無用的熱時」

「某些能量被消耗在抹除信息的轉換中,這樣的能量不只是仍然有用,也同時減少了兩個系統中的熵,更甚至釋放部份先前無法利用的能量」

第二種熵減少狀態是利用量子測量來描述:Bob 傳送給 Alice 一個已知自旋態的粒子,Alice 利用巨觀的探測器測得關於粒子的訊息,探測器也增加了系統的熵。接下來同樣再一次,Bob 顛倒 Alice 的測量結果。這個去相關的動作,用在 Alice 對自旋態的測量。這將使得 Alice 雖然發佈實驗結果,但她卻對實驗過程毫無記憶,也無法證實結果為何。自旋回到了初始零熵狀態。
[部份內容省略]
[原文出處]

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