時間真的只能向前嗎？量子研究顛覆你的認知

科學家們最近揭開了一個令人驚奇的發現：在量子層面上，時間可能並非單向流動。雖然我們的日常經驗讓時間看似不可逆轉，但基礎物理學卻暗示了另一種可能性。研究人員在開放量子系統中的探索發現，即便考慮到能量在宇宙中的耗散，時間的對稱性依然存在。他們更意外地發現了一個關鍵的數學因子——記憶核（memory kernel），這進一步支援了時間理論上可以雙向流動的觀點。這項發現可能徹底改變我們對時間、物理學乃至整個宇宙的理解。

如果時間並非如我們所假設的那樣固定呢？如果時間不僅能從過去流向未來，在某些條件下也能逆向流動，這會是什麼樣的景象？薩裡大學的研究團隊深入探討了這個引人入勝的可能性，並揭示了在某些量子系統中，理論上可能出現相反的「時間箭頭」。幾個世紀以來，科學家們一直在探討「時間箭頭」的概念——即時間不可逆地朝一個方向流動。雖然這在日常生活中顯而易見，但物理學的基本定律實際上並未偏好任何一個方向。無論時間向前或向後，支配物理過程的方程式都保持不變。

薩裡大學物理與數學生物學副教授、該研究的主要作者安德烈亞·羅科博士解釋道：「舉例來說，當你看到牛奶灑在桌上並逐漸擴散時，時間顯然在向前流動。但如果將這個過程倒放，就像播放一部電影，你會立刻察覺到不對勁——很難相信牛奶會自動匯聚回杯子裡。然而，有些過程，例如鐘擺的運動，無論正放或倒放都顯得合理。問題在於，在最基礎的層面上，物理定律更像鐘擺，它們並未考慮不可逆的過程。我們的研究表明，雖然我們的日常經驗告訴我們時間只能單向流動，但我們只是尚未意識到，逆向流動同樣可能。」

這項發表於《科學報告》（Scientific Reports）的研究，探討了量子系統——即次原子世界——如何與其環境（稱為「開放量子系統」）相互作用。研究人員試圖解釋為何我們會感知時間單向流動，以及這種感知是否源自開放量子力學。為了簡化問題，團隊做了兩個關鍵假設：首先，他們將系統周圍的龐大環境處理成僅關注量子系統本身；其次，他們假設環境（如整個宇宙）如此之大，以至於能量和資訊一旦耗散便永不返回。這種方法讓他們得以研究時間如何作為單向現象出現，即便在微觀層面上，時間理論上可以雙向流動。

令人驚訝的是，即便在這些假設下，系統無論時間向前或向後，行為都保持一致。這項發現為時間反轉對稱性在開放量子系統中依然成立的觀點提供了數學基礎，暗示時間箭頭可能不如我們所體驗的那樣固定。主導計算的博士後研究員託馬斯·古夫表示：「這項研究最令人驚訝的部分是，即便在對描述開放量子系統的方程式做了標準簡化假設後，無論系統是向前或向後移動，方程式的行為依然相同。當我們仔細推導數學時，發現這種行為必然存在，因為方程式中的關鍵部分——記憶核——在時間上是對稱的。我們還發現了一個微小但重要的細節，通常被忽略的時間不連續因子，它保持了時間對稱性的完整。在物理方程式中看到這樣的數學機制很不尋常，因為它並不連續，而它如此自然地出現，實在令人驚訝。」

這項研究為物理學中最大的謎團之一提供了全新視角。理解時間的真正本質可能對量子力學、宇宙學及其他領域產生深遠影響。