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引用 熵增是因为宇宙需要记忆?   

2014-05-19 12:22:26|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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本文转载自科学美国人《熵增是因为宇宙需要记忆?》
本文来自“科学美国人”中文版《环球科学》

真实世界的演化总是朝着熵增的方向,尽管很多物理规律都没有这个限制。一项新理论研究表明,我们从来看不到熵减事件(译者注:局部的熵减是常见的,但这总是伴随着熵流,即在一个更大系统上熵总是增加的)的理由是:它们不留下任何存在过的痕迹。

  

 
咖啡中的熵:无论你调多少杯牛奶咖啡,
你永远不会看到有它们会在杯子里自发分离开来——这都归功于宇宙持续熵增的努力。
然而物理学基本规律并没有预言一个特殊的时间箭头。
如今一项新的理论表明熵减事件也是可能的,然而它们不留下任何痕迹,使得我们无法感知。
(图片来源:iStockphoto/danesteffes)
 

把所有事情在时间上倒过来发生也不违反物理规律。然而真实的世界中永远不会有一杯热咖啡能自动分离出冷牛奶。针对这个物理规律的时间对称性与日常生活中的时间单向箭头的冲突,一位理论物理学家于8月21日在《物理评论快报》上发表了新的解释。以量子论的观点来看,熵增的事件能够在周遭环境中留下其曾经发生的痕迹。研究者提出,假如把事件按时间轴回放,减少熵,将没有任何的记录留下,这样“不为人知”的事件倒相当于从来没有发生过了。

 

从热力学的角度来看,当不同温度的两样物体接触,它们之间会发生能量流动直至它们达到热平衡。伴随着这股热流的便是熵的增加。在我们的认知范围里,热量从来不会反过来流动,宇宙的熵未曾减少过。

 

让时间反向将相当于熵减,比方说让一个均一温度的物体自发变成一端冷一端热。在19世纪有一个著名的思想实验:一个被称作“麦克斯韦妖”的精灵知晓盒子当中每一个气体分子的位置和速度,一块隔板把盒子分成两个腔室,精灵在隔板上开了一个小洞,并操控着小洞的门,这样一来它可以通过有选择性地开门让高能分子聚集到一边而把低能分子聚集到另一个腔室。虽然气体分子的熵减少了,然而其实精灵本身也需要耗费能量和增加熵,结果是整体的熵仍然不可避免地增加。

 

在量子世界里,熵减精灵换了一份工作,因为量子力学版本的熵并非源自热流而是信息流。来自意大利帕威亚大学以及麻省理工学院的Lorenzo Maccone给出了一个思维实验来诠释宇宙熵减的后果:一个实验家Alice对好友Bob发送过来的一个原子进行了自旋测量(除此以外Bob与Alice的实验室系统毫无关联)。此前该原子处于上自旋与下自旋的叠加态,只有等到Alice进行测量时才会坍缩为其中一个状态。

 

在Alice看来,她的实验室从外界得到了一个比特的新信息,这信息然后被复制和记录到她的大脑和电脑硬盘中。在她看来,信息从原子流向实验室,这伴随着熵的增加。Maccone说,然而Bob并不知道这结果,他认为那原子仍旧处于叠加态中,并且与Alice的实验室的量子态发生了量子力学上的关联,即所谓的“纠缠”。他并没有看到信息流动,也没有熵变。

 

正是Bob扮演了麦克斯韦妖的角色。他对Alice实验室有着完全的控制——通过进行一个复杂的变换来使Alice实验室与原子挣脱“纠缠”,他可以让Alice以为她大脑以及硬盘中的原子自旋的记录被擦除了,Alice会觉得产生了一股逆行的信息流,减少了她的实验室体系的熵。

 

Maccone写道,这并没有违反量子规律。事实上在实验室外的Bob看来,无论Alice实验室与原子纠缠与否,她们的熵都是一样的——从外面看进去根本没有熵的变化。Maccone说,这样的逆行信息流动和熵减在现实世界中是可行的,问题是我们无法“感知”到这类事件——把宇宙比作为Alice实验室的话,逆行的结果是没有任何的记忆和记录,Alice无法感知到底发生了什么,所以我们对这个世界的感知是没有包括这类事件的。Maccone在他的文章中进一步用更加数学的语言来进行了更一般的论证——论证的对象从Alice推广到了宇宙。

 

荷兰乌特勒支大学的Jos Uffink部分地认可该理论工作。他不完全信服的理由是:在熵减过程之后,“那个观测者或许还可以保存着对事件的部分记忆”。尽管如此,他还是赞许该文章“相当新颖”而且其结论很让人“惊叹”。世界上发生在我们身边的种种事情都具备明显的“不可逆性”,它与作为客观物理实体的信息之间到底是什么关系呢?Uffink说未来还会有更多围绕着这个关系的热烈讨论。(翻译:朱国毅   审稿:王忻怡)

 

原文链接:http://physics.aps.org/story/v24/st7

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