在熱力學(xué)的第二定律中，孤立系統(tǒng)內(nèi)的熵（一個(gè)系統(tǒng)的無(wú)序程度）只增不減，比如一杯熱水在室溫下放一段時(shí)間后會(huì)變涼，但可能還沒(méi)有一杯涼水能自己在室溫下變熱。宇宙整體的熵會(huì)增加，這便是熱量會(huì)從溫度高的系統(tǒng)流至溫度低的系統(tǒng)的原因，事實(shí)上物理上時(shí)間的定義也可以說(shuō)是由此而來(lái)。

但最近，一個(gè)巴西的研究小組在一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中讓熱量自發(fā)地從一個(gè)冷的系統(tǒng)流向了一個(gè)熱的系統(tǒng)，強(qiáng)調(diào)了在量子熱力學(xué)的新興領(lǐng)域中，信息、熵與能量這三者間的關(guān)聯(lián)密切。

在實(shí)驗(yàn)中，小組首先制備了一個(gè)由碳原子，氫原子和三個(gè)氯原子組成的分子， 然后使用磁場(chǎng)來(lái)對(duì)準(zhǔn)碳?xì)鋬蓚€(gè)粒子的核自旋，或“量子位”，之后碳原子和氫原子的核會(huì)變得相互關(guān)聯(lián)，從而使這兩個(gè)粒子變成了一個(gè)不可分離的整體——一個(gè)包含兩個(gè)量子比特的量子態(tài)。

而正是這個(gè)相關(guān)性，造就了這一“違反”熱力學(xué)第二定律的現(xiàn)象。

一般來(lái)說(shuō)，熵是被用來(lái)表示一個(gè)系統(tǒng)最多可以處于多少種狀態(tài)的（在你觀察并確認(rèn)系統(tǒng)處于某一特定狀態(tài)前）。而在一個(gè)經(jīng)典系統(tǒng)中，系統(tǒng)的熵等于系統(tǒng)內(nèi)每個(gè)分部的熵的總和。

但在對(duì)于一個(gè)量子系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，熵衡量的其實(shí)是這個(gè)系統(tǒng)的相關(guān)性。一個(gè)兩量子比特系統(tǒng)在被觀察前可以處于四種不同的狀態(tài)，這四種狀態(tài)如果用0和1來(lái)表示的話便是00,01,10和11。而一個(gè)量子系統(tǒng)的熵便由系統(tǒng)處于每種可能狀態(tài)的概率決定，研究人員也由此能通過(guò)將單個(gè)量子比特的熵與系統(tǒng)的熵做對(duì)比來(lái)測(cè)量系統(tǒng)的相關(guān)性。

實(shí)驗(yàn)從兩個(gè)強(qiáng)相關(guān)的粒子開始，而隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，兩個(gè)粒子會(huì)逐漸退相關(guān)，導(dǎo)致它倆間的相關(guān)性減弱。參與了研究的巴西圣保羅ABC聯(lián)邦大學(xué)研究員Kaonan Micadei說(shuō)： “這意味著，以單個(gè)粒子的熵為單位，熵的總和會(huì)減少?！?/span>

在一個(gè)不規(guī)則的，不相關(guān)的系統(tǒng)中，總的熵突然下降會(huì)違反第二定律。 但在這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，研究人員需要把相關(guān)性也考慮在內(nèi)。 倫敦帝國(guó)理工學(xué)院物理學(xué)家David Jennings說(shuō)：“相關(guān)性的弱化類似于‘將熱量從較冷系統(tǒng)轉(zhuǎn)移至較熱的系統(tǒng)的燃料’?！?ABC聯(lián)邦大學(xué)物理學(xué)家和該研究的小組負(fù)責(zé)人Roberto Serra表示：“冷的量子比特越來(lái)越冷，熱的那個(gè)則越來(lái)越越熱。換句話說(shuō)，熱量從冷的系統(tǒng)流到了熱的系統(tǒng)。而造成這一現(xiàn)象便是‘系統(tǒng)的相關(guān)性與熵之間的平衡’?！?/span>

Micadei說(shuō)：“時(shí)間箭頭的方向（時(shí)間是矢量）的熱力學(xué)定義源于熵在一個(gè)封閉的系統(tǒng)中只能增加或是保持不變，但通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)建熵會(huì)減少的孤立系統(tǒng)，我們能夠使時(shí)間箭頭指向相反的方向?！?/span>

Serra 表示：“這意味著時(shí)間的箭頭不是一個(gè)絕對(duì)的概念，相反，它強(qiáng)烈地依賴于我們所設(shè)的定的初始條件?！?/span>

麻省理工學(xué)院物理學(xué)家，量子信息專家Seth Lloyd說(shuō)：“雖然理論上我們已經(jīng)預(yù)見到這種情況的存在，但這是第一次有人確實(shí)在物理系統(tǒng)中逆轉(zhuǎn)了時(shí)間的箭頭。對(duì)于這個(gè)已經(jīng)存在了很久的理論來(lái)說(shuō)，這是一次相當(dāng)不錯(cuò)的實(shí)驗(yàn)證明?！?/span>

雖然目前的論文不會(huì)讓我們更接近于構(gòu)建一臺(tái)時(shí)間機(jī)器，但它可能對(duì)現(xiàn)實(shí)世界有著重要影響。 貝爾法斯特女王大學(xué)的物理學(xué)家Mauro Paternostro正在研究如何使用類似的效應(yīng)來(lái)創(chuàng)造效率非常高的量子熱泵。Mauro說(shuō)： “大型量子機(jī)器（large-scale quantum thermo-machine）的潛在應(yīng)用十分廣泛。”

該研究同時(shí)也會(huì)影響人們對(duì)于宇宙起源的思考。宇宙學(xué)長(zhǎng)久以來(lái)就有一個(gè)為什么宇宙非要始于一個(gè)低熵狀態(tài)，并允許熵在整個(gè)宇宙的歷史中隨著時(shí)間的流逝而增加（假設(shè)允許時(shí)間流逝）。 而通過(guò)將熵與量子糾纏結(jié)合起來(lái)，Serra希望這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)?zāi)軐?duì)宇宙時(shí)間箭頭的討論產(chǎn)生“刺激性”的后果。