玻璃中的時間箭頭：物理學界的驚人發現

你是否曾想過，為何沙灘上的風永遠不會將沙子吹成泰姬瑪哈陵的形狀？或是為何房間裡的空氣分子不會突然聚集在角落，讓你因缺氧而窒息？這些現象之所以不會發生，全都歸功於熱力學第二定律。簡單來說，萬物總是趨向於混亂。熱量從高溫流向低溫，而在孤立系統中，熵（衡量系統混亂程度的指標）只會增加。

大多數物理定律都是時間可逆的，從薛丁格方程式到牛頓的古典力學，無論正向或反向播放，看起來都一樣。但熱力學第二定律卻不同，它為我們指明瞭時間的箭頭。如果你看到一個系統趨向於混亂，你可以確定時間正在向前流動。就像你無法將煮熟的蛋變回生蛋一樣。

然而，令人驚訝的是，在玻璃和其他類似材料中，這個定義時間箭頭的法則似乎不存在，或者至少在兩個方向上看起來都一樣。這項發現引發了物理學界的廣泛關注。

雖然玻璃和塑膠看起來是固體，但內部分子實際上能夠移動並尋找更有利的能量狀態。這些重新排列會影響材料的特性，因此研究這一過程對製造業具有重要意義。在這項研究中，研究人員試圖觀察玻璃的物理老化過程。

「與涉及化學反應的腐蝕不同，物理老化完全是由分子重新排列引起的材料特性變化，」研究團隊在論文中解釋道。「非晶態材料，如普通玻璃、聚合物和金屬玻璃，都會經歷物理老化，因為玻璃態會不斷向亞穩平衡狀態鬆弛。」

這種變化過程對人類來說過於緩慢，無法直接觀察。然而，研究人員利用「材料時間」的概念來研究玻璃的老化。在這個概念中，材料內部的時間流逝速度取決於分子重新排列所需的時間。

「材料時間可以被視為一種時鐘測量的時間，其速率隨著玻璃老化而變化，」研究團隊解釋道。「從概念上講，這類似於相對論中的固有時間概念，即跟隨移動觀察者的時鐘所測量的時間。」

為了研究這一現象，研究團隊將雷射對準玻璃樣本，並使用最先進的相機進行密切監控。當光線撞擊分子時，會產生散射，研究人員能夠透過統計分析明暗圖案來確定材料分子重新排列的速度，也就是材料時間的流逝速度。

正是在這裡，他們發現了一個非常奇特的現象。玻璃和其他研究材料中的分子波動似乎是時間可逆的。如果將過程倒放，看起來會完全一樣。

「然而，這並不意味著材料的老化過程可以被逆轉，」達姆施塔特工業大學凝聚態物理研究所的研究作者Till Böhmer在一份宣告中強調。玻璃仍然會老化，只是這個過程發生在玻璃漫長而緩慢的材料時間中。

這項研究引發了許多問題，例如這種時間可逆性是否也存在於其他材料中，它們的內部時鐘有何不同，以及「這到底是怎麼回事？」

「我們的研究結果引發了一系列問題，」研究團隊在論文中補充道。「材料時間可逆性是否是老化的普遍特徵？是否有可能基於材料時間而非實驗室時間來制定廣義的波動-耗散關係，如果可能，這將如何與長期以來用於描述老化的有效溫度概念相關聯？材料時間可逆性是否反映了物理基本定律的可逆性，從而與量化微觀時間可逆性後果的波動定理產生聯絡？」

研究團隊希望透過不同材料進一步探索這些問題。或許在不久的將來，我們將迎來更多奇特而令人興奮的發現。這項研究已發表在《自然物理學》期刊上。