悖论已解:热力学和量子力学可能同时成立

俊博聊军事 2023-07-14 07:52:01

量子力学和经典物理学并不总是相处融洽,有时会形成明显的悖论,观察到的量子行为违反了公认的物理定律。

在量子力学中,在保留信息的同时,可以将粒子恢复到以前的状态(也称为时间反转),但热力学定律表明这是不可能的。

荷兰特文特大学的科学家们利用光子和光学芯片解开了这一悖论。

量子力学的性质长期以来一直困扰着物理学家,甚至阿尔伯特·爱因斯坦也曾将量子纠缠描述为“远距离的诡异行为”。这是因为量子力学,至少乍一看,似乎经常藐视经典物理学定律(特别是艾萨克·牛顿热力学定律),并经常制造令人讨厌的悖论,表明我们仍然错过了其中的一块拼图。

其中一个悖论涉及时间反转。在量子力学中,可以在保留信息的同时将粒子反转到先前的状态。然而,热力学定律表明,时间是有方向的,信息是不可避免地丢失的。

那么,这两件事怎么可能同时成为事实呢?

荷兰特文特大学的科学家利用光子和光学芯片解开了这一悖论,发现即使在这种量子环境下,牛顿定律仍然成立。

论文写道:“量子物理学的核心问题之一是如何调和量子态的酉演化,即信息守恒和时间可逆的演化,以及遵循热力学第二定律的演化,而热力学第二法则通常两者都不是。”。“我们已经通过实验证明,由于与其他模式的纠缠,封闭环境中的纯量子态可以局部表现得像热态。”

该团队利用了带有通道的光学芯片,使光子能够通过。在实验开始时,该团队确切地知道通道中有多少光子,但随着光子位置的改变,他们失去了计数(这是一件好事,也是有计划的事情)。

合著者Jegler Renema说:“当我们观察单个通道时,它们遵循热力学定律,形成了无序。”。“根据对一个通道的测量,我们不知道该通道中还有多少光子,但整个系统与量子力学一致。”这是因为这些不同的通道或子系统发生了纠缠,从而在纠缠的子系统中保留了“缺失信息”。

这项工作,以及之前的理论和实验解决方案,只是表明科学理解的前沿一开始看起来很“诡异”,但慢慢解决这些看似不可能的悖论,让我们离永远难以捉摸的万物理论又近了一步。

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