顛覆認知!最新研究:時間或能同時快與慢
壹份近日發表的研究提出了利用超高精度原子鍾來測試時間流逝率的變異（即時間流動的不對稱性）的新構想。
在愛因斯坦的相對論中，“時間膨脹”（time dilation）的概念說明了，時間流逝的速度取決於觀察者的速度與位置。而在量子世界中，時間則展現出更違反直覺的行為，這被稱為“量子雙生子悖論（quantum twin paradox）”，它描述了時間如何能夠同時以快與慢的狀態“疊加”存在。
借由超高精度原子鍾，以及從“囚禁離子量子計算”（trapped-ion quantum computing，基於離子阱的量子計算）發展出的技術，科學家正逐漸接近以實驗方式來驗證時間本身的量子本質。
時間並非恒定不變
對生活在地球上的我們而言，時間似乎相對恒定不變。除了人類某些巧妙的人為幹預情況之外，時間壹秒接著壹秒地無可阻擋地流逝，仿佛永不停歇地向前推進。但在相對論與量子理論的極端世界裡，時間絕非恒定不變。
20世紀初，愛因斯坦透過他的狹義相對論，首次闡明了證明了“時間膨脹”的概念——即時間的流逝速度會因觀察者的速度與位置而有所不同。最經典的例子是：若你將自身加速至接近光速，那麼時間（至少從你的角度來看）將會趨於停止。
雖然這本身已夠令人難以置信了，但量子力學則用更誇張的方式進壹步顛覆了這個概念。根據物理學家的理論，時間本身在理論上也可能處於量子疊加態，也就是說，它可以同時處於“流逝得快”與“流逝得慢”兩種狀態。
超高精度原子鍾的關鍵角色
然而，要驗證這個理論並不容易。不過，壹項由史蒂文斯理工學院（Stevens Institute of Technology）、美國國家標准與技術研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）以及科羅拉多州立大學（Colorado State University）的科學家共同主導的新研究指出，這件事或許真的可行。
關鍵在於使用超高精度原子鍾，並結合為“囚禁離子量子計算”所開發的量子資訊技術。研究團隊認為，將這兩項技術結合起來，有望揭示量子層級中時間的新特性。這項研究成果已於4月20日發表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）期刊上。
來自史蒂文斯理工學院的研究資深作者皮科夫斯基（Igor Pikovski）在新聞稿中表示：“時間在量子理論和相對論中扮演著非常不同的角色。我們所展示的是，把這兩個概念結合起來，可以揭示時間流逝中那些隱藏的量子特征，而這些特征已無法再用經典物理來描述。”
這個概念被稱為“量子雙生子悖論”。以著名的“薛定諤的貓”為例，理論物理學家薛定諤（Erwin Schrödinger）曾說明：在測量發生之前，壹個系統可以同時處於兩種完全不同的狀態。這就是所謂的“疊加態”（superposition）。
若把這個概念延伸到時間領域，“薛定諤的貓”不僅可能同時處於生與死的狀態，它甚至可能同時處於“年老”與“年輕”的狀態。
囚禁離子時鍾的實驗驗證
皮科夫斯基已投入超過15年時間，試圖證明這種量子奇異現象，如今他相信，超高精度原子鍾的出現正是解答的關鍵。
研究團隊利用NIST與科羅拉多州立大學共同開發的“囚禁離子”時鍾（該技術透過將鋁或鐿冷卻至接近絕對零度，以便用雷射精准操控其量子狀態），並控制他們所觀測的原子周圍的真空環境，成功創造出他們所稱的“擠壓態”（squeezed state）。
理論上，這將使原子鍾能揭示量子世界中相對論時間的新行為，並為實驗驗證“量子雙生子悖論”開啟大門。
皮科夫斯基告訴《Science Alert》：“我認為這能給我們提供壹些線索，以及實驗上的依據，說明我們日常對現實的認知有多麼具有誤導性。量子理論不僅很離奇，它還暗示宇宙存在著具有壹種與日常經驗相悖的根本結構。”
超高精度原子鍾概念圖。(Shutterstock)
[物價飛漲的時候 這樣省錢購物很爽]
無評論不新聞，發表壹下您的意見吧
在愛因斯坦的相對論中，“時間膨脹”（time dilation）的概念說明了，時間流逝的速度取決於觀察者的速度與位置。而在量子世界中，時間則展現出更違反直覺的行為，這被稱為“量子雙生子悖論（quantum twin paradox）”，它描述了時間如何能夠同時以快與慢的狀態“疊加”存在。
借由超高精度原子鍾，以及從“囚禁離子量子計算”（trapped-ion quantum computing，基於離子阱的量子計算）發展出的技術，科學家正逐漸接近以實驗方式來驗證時間本身的量子本質。
時間並非恒定不變
對生活在地球上的我們而言，時間似乎相對恒定不變。除了人類某些巧妙的人為幹預情況之外，時間壹秒接著壹秒地無可阻擋地流逝，仿佛永不停歇地向前推進。但在相對論與量子理論的極端世界裡，時間絕非恒定不變。
20世紀初，愛因斯坦透過他的狹義相對論，首次闡明了證明了“時間膨脹”的概念——即時間的流逝速度會因觀察者的速度與位置而有所不同。最經典的例子是：若你將自身加速至接近光速，那麼時間（至少從你的角度來看）將會趨於停止。
雖然這本身已夠令人難以置信了，但量子力學則用更誇張的方式進壹步顛覆了這個概念。根據物理學家的理論，時間本身在理論上也可能處於量子疊加態，也就是說，它可以同時處於“流逝得快”與“流逝得慢”兩種狀態。
超高精度原子鍾的關鍵角色
然而，要驗證這個理論並不容易。不過，壹項由史蒂文斯理工學院（Stevens Institute of Technology）、美國國家標准與技術研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）以及科羅拉多州立大學（Colorado State University）的科學家共同主導的新研究指出，這件事或許真的可行。
關鍵在於使用超高精度原子鍾，並結合為“囚禁離子量子計算”所開發的量子資訊技術。研究團隊認為，將這兩項技術結合起來，有望揭示量子層級中時間的新特性。這項研究成果已於4月20日發表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）期刊上。
來自史蒂文斯理工學院的研究資深作者皮科夫斯基（Igor Pikovski）在新聞稿中表示：“時間在量子理論和相對論中扮演著非常不同的角色。我們所展示的是，把這兩個概念結合起來，可以揭示時間流逝中那些隱藏的量子特征，而這些特征已無法再用經典物理來描述。”
這個概念被稱為“量子雙生子悖論”。以著名的“薛定諤的貓”為例，理論物理學家薛定諤（Erwin Schrödinger）曾說明：在測量發生之前，壹個系統可以同時處於兩種完全不同的狀態。這就是所謂的“疊加態”（superposition）。
若把這個概念延伸到時間領域，“薛定諤的貓”不僅可能同時處於生與死的狀態，它甚至可能同時處於“年老”與“年輕”的狀態。
囚禁離子時鍾的實驗驗證
皮科夫斯基已投入超過15年時間，試圖證明這種量子奇異現象，如今他相信，超高精度原子鍾的出現正是解答的關鍵。
研究團隊利用NIST與科羅拉多州立大學共同開發的“囚禁離子”時鍾（該技術透過將鋁或鐿冷卻至接近絕對零度，以便用雷射精准操控其量子狀態），並控制他們所觀測的原子周圍的真空環境，成功創造出他們所稱的“擠壓態”（squeezed state）。
理論上，這將使原子鍾能揭示量子世界中相對論時間的新行為，並為實驗驗證“量子雙生子悖論”開啟大門。
皮科夫斯基告訴《Science Alert》：“我認為這能給我們提供壹些線索，以及實驗上的依據，說明我們日常對現實的認知有多麼具有誤導性。量子理論不僅很離奇，它還暗示宇宙存在著具有壹種與日常經驗相悖的根本結構。”
超高精度原子鍾概念圖。(Shutterstock)
[物價飛漲的時候 這樣省錢購物很爽]
| 分享: |
| 注： |
| 延伸閱讀 |
推薦: