科學家在量子力學和重力找到新的時間順序

一般會以事件發生的先後來描述在時間的次序,近期,昆士蘭大學的物理學家們,透過假想實驗研究,找出一種新的時間次序,其非古典的描述超越了當前的任何物理理論。

有質量物體將扭曲附近時空,圖片來源:維基百科

編譯/廖紳勛

時間在廣義相對論和量子物理有很大的區別

在廣義相對論中,事件發生的時間順序與物質分布有關,例如:在星球旁的飛行船A,其時間將會過的比離星球遠的飛行船B慢。兩艘飛行船上的事件發生次序也會因時間的快慢而有所不同。舉個例子,假設A飛行船與B飛行船同時約好在下午五點向對方發射飛彈,由於B飛行船的時間過得比A飛行船慢,因此可能在B飛行船時鐘顯示四點五十九分時,A飛行船的飛彈就已經先過來了。

而量子力學則是認為任何物體都是由基本的狀態所疊加而成。以薛丁格的貓為例,在不知道毒氣有沒有啟動的狀態下,箱子裡的貓是由「生」、「死」兩種狀態所疊加而成的疊加態,當中事件發生的先後順序會因為事件的因果關係而向固定方向演進。如果試圖從時間的角度切入這兩個理論,把星球轉變成量子疊加的狀態,那麼時間的順序應該會受到干擾。

昆士蘭大學所提出的想像實驗,找到新的量子時間順序

因此,昆士蘭大學的研究團隊對大型物體空間疊加產生量子因果關係進行首次的直接分析。經由數學推導,他們的結果顯示:類時間事件(time-like event)的時間順序可以寫成疊加態或甚至糾纏態的形式。在相對論中,類時間事件是指,不管在哪個坐標系的觀察者,所觀察到的類時間事件,先後順序是不會改變的。與其相反的是類空間事件(space-like event),事件先後順序會因觀測者不同而有改變。研究結果指出,有一種新的方式可以用來說明事件發生的順序,也就是以兩事件量子疊加的形式來說明事件發生的順序:兩事件可以同時是第一個發生,也可以是同時第二個發生,取代以往A事件先發生,B事件後發生的描述。這種新的描述事件的方式是非古典的,量子化的描述方式。

從剛剛飛行船的例子來看,如果我們將一個質量大到足以影響周遭時間的星球用疊加態的方式描述,則飛船將處在其中一艘將被摧毀的疊加狀態。這種涉及兩個系統的疊加狀態,又稱為糾纏態(entangled)。此研究的重要貢獻有助於結合量子力學和重力理論的發展,事件量子化的描述方式對於科學家們有很大的啟發性,能夠使兩理論的結合朝向更加正確的方向。

未來量子電腦發展能夠更加認識時間

即使他們所設計出的思想實驗並沒辦法在現實世界中完成,但未來量子電腦的高效運算科技將可能可以讓人們模擬出時間在量子世界中的樣貌,而不須借助重力(相對論效應)來驗證。簡單來說,量子電腦因處理位元處於疊加態,可以同時對多個量子態進行運算,更加有效地跨過時間的障礙完成運算,而不識相一般現行世界的電腦需要依照時間順序依序處理,因此量子電腦在處理這樣的問題時會更加有效率。

 

資料來源:

  1. Zych, M., Costa, F., Pikovski, I. et al.Bell’s theorem for temporal order. Nat Commun10, 3772 (2019). https://doi.org/10.1038/s41467-019-11579-x
  2. University of Queensland. (2019, August 26). Physicists mash quantum and gravity and find time, but not as we know it. ScienceDaily. Retrieved February 1, 2020 from www.sciencedaily.com/releases/2019/08/190826122010.htm
  3. University of Vienna. (2019, August 22). Quantum gravity's tangled time. ScienceDaily. Retrieved January 31, 2020 from www.sciencedaily.com/releases/2019/08/190822094016.htm
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