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时间的另一个箭头

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在绝大多数的物理定律中并不包含时间的箭头,也就是说,无论时间是从过去流向未来还是从未来到过去的反演,并没有任何区别,物理定律同样成立。可是为什么在生活中,时间从来不会倒流呢?为时间的流向加上一个箭头的是热力学第二定律,它描述一个孤立的系统总会单方向地趋向于热平衡状态,其总熵值会一直增大。
  “熵”可以被理解为一个描述孤立系统混乱程度的量,熵值越大,系统的混乱程度,也就是热平衡程度就越高。一个孤立系统的熵值总是会逐渐增大,逐渐趋于一个热平衡的稳定态,这个单向的过程也就决定了时间箭头的方向——只能是从过去到未来,作为一个孤立系统的宇宙,它的总熵值会一直增大,最终会达到宇宙各处温度都相同的热平衡状态。
  史蒂芬·霍金在他的畅销科普书《时间简史》中,用了一章的篇幅来论述时间的方向,并且总结出了三种不同的时间箭头:首先是心理学的时间箭头,人们只会记住过去而不是未来,并且可以由此感受到时间的流逝,人们也很容易凭借生活经验看出电影是正放还是倒放。其次是热力学规定的时间箭头,即热力学第二定律所描述的时间的方向性。还有宇宙学中的时间箭头,宇宙在一个高度有序的状态下创生,在宇宙大爆炸之后,整个宇宙处于加速膨胀的过程,混乱度逐渐增加。正如地球引力并非永远指向人们的脚下,而是指向地心,时间箭头的方向也一直指向宇宙扩张的方向。霍金随后总结出,这三个时间箭头具有相同的指向,并且具有相同的本质。
  明确了时间箭头的方向性,多少可以令科学家们心安,但无论是对于时间箭头的热力学或是宇宙学解释,都是从宏观的角度出发。到了亚原子领域的微观世界,时间箭头再一次变得不清晰。一个围绕原子核旋转的电子,可以释放出一个光子然后跃迁到更低的能级,而这个过程完全也可以反过来,这个电子可以吸收一个光子之后跃迁到更高的能级,在这个过程中时间是对称的。在微观领域,各种粒子间发生相互作用,产生新的粒子,时间箭头似乎并不存在,微观粒子间的相互作用大多都是可逆的过程。
  在宏观世界里存在明确的时间箭头,那么在微观世界必定也存在与宏观世界方向一致的时间箭头。寻找微观世界的时间箭头,起源于CPT对称定理。这个定理最初是由美国理论物理学家朱利安·施温格(Julian Schwinger)在1951年提出的,用来描述自旋与统计定理之间的联系。德国理论物理学家格哈特·吕德尔斯(Gerhart Luders)、奥地利物理学家沃尔夫冈·泡利(Wolfgang Pauli)和爱尔兰物理学家约翰·贝尔(John Bell)随后在1954年完善了这个理论。CPT对称定理描述,在量子理论和洛伦兹不变性正确的基础上,所有物理现象在电荷、宇称和时间这三个物理量上具有对称性。
  科学家们最初认为,物理现象对于这三个物理量都分别具有不言自明的对称性(电荷守恒,方向对称,时间对称)。在1956年,华裔理论物理学家杨振宁与李政道最先提出了宇称不守恒假说(他们因此在1957年获得诺贝尔物理奖),假说认为,宇称在电磁作用和强相互作用中守恒,但是在弱相互作用条件下并不守恒。也就是说,当翻转一个物理系统的坐标时(相当于取这个物理系统上下、左右、前后都相反的镜像),在弱相互作用中这个系统并不对称——如果把这个情况类比于宏观世界,就相当于一个人和他在镜子中的影像并不完全相同。1957年,华裔实验物理学家吴健雄与她的同事们通过钴60在磁场中的衰变实验验证了这个假说。
  宇称守恒被破坏之后,科学家们随后寄希望于CP对称(电荷共轭宇称守恒),也就是说,当一个物理系统的宇称和电荷同时反转——这个系统取其自身的镜像,同时系统中的每一个粒子都变为其自身的反粒子,那么一切物理现象都保持不变。但是在1964年,美国物理学家詹姆斯·克罗宁(James Cronin)与瓦尔·菲奇(Val Fitch)发现了CP对称性被破坏的证据(他们因此在1980年获得诺贝尔物理奖)——物理系统并不具备CP对称性,很多科学家认为,正是因为这个原因,宇宙中的正物质才远远多于反物质。
  CPT对称定理最终把电荷、宇称和时间这三个物理量联系在一起,根据量子场论和洛伦兹不变性,科学家们得出结论,当一个物理系统的这三个物理量同时反转,所有物理现象将保持不变。同时,这个理论说明,当这三个物理量中某个(或某两个)物理量的对称性被破坏,其他物理量将通过自身对称性的破坏进行补偿,因此保持CPT整体的对称性。
  根据这个理论,在微观领域中CP(电荷和宇称)的对称性被破坏,那么T(时间)自然也不具备对称性,这样才能保持CPT整体的对称性。时间在微观领域不对称,说明在微观领域同样存在一个时间箭头,但是科学家们观测到CP不对称,这只是微观领域存在时间箭头的间接证据,颠倒微观粒子相互作用的起始状态和最终状态,直接观察到微观领域时间的不对称性非常困难。
  1998年,在欧洲核子中心(CERN)CPLEAR合作项目进行的实验中,科学家们在粒子加速器中将反质子和氢原子进行对撞,对撞产生出K介子和反K介子。K介子和反K介子都具有自发转变为自身反粒子的性质,但是科学家们观测到,其中反K介子转变的速度高于K介子,这说明这个转变并不可逆。也就是说,在微观世界中,时间的不对称性被直接观测到,这个结果在1998年10月发表于《物理快报B》(Physics Letters B)杂志上。但这个实验也遭到了一些批评:一些科学家认为,这个结果并不能清晰地区分CP对称性的破坏与T对称性的破坏;也有一些科学家认为,对于这个结果可以有不同的理解,因此这个观察结果并非是决定性的。
  科学家们继续寻找更加清晰的时间箭头。2012年,BaBar合作项目分析在美国斯坦福大学的国家直线粒子加速器实验室(SLAC National Accelerator Laboratory)进行粒子对撞实验的数据,在分析了近10年内进行的数十亿个粒子碰撞试验的数据之后,BaBar合作项目的科学家们终于声明,他们以极高的确定度直接观测到了在微观领域的时间不对称性。
  BaBar合作项目的科学家们分析了5亿对B介子和反B介子的行为,根据标准粒子模型的描述,这些粒子会自发地转变为自身的反粒子。但是大量的数据显示,B介子与反B介子相互转变的速度不同,这标志着在微观领域时间同样不可逆转,科学家们第一次明确地发现了微观世界的时间箭头。一篇论述这个实验结果的包括370个作者、77家研究机构的论文《B介子系统中时间反演破坏的观测》(Observation of Time-Reversal Violation in the B Meson System)在2012年11月发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)杂志上。
  科学家们终于找到了寻求已久的微观世界的时间箭头,与宏观世界一样,这个箭头也指向了未知的未来。除了物理学上的意义,这个发现也许更能让人们理解时间的流逝并非幻觉。如同河流流淌,时间在这个世界留下痕迹之后终将一去不复返。

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分类:49期 | 标签: | 502 views