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來自維也納布裡斯託大學、巴利阿裡群島大學和量子光學與量子信息研究所（IQOQI Vienna）的一個聯合物理學家團隊，展示了量子系統如何同時沿著兩個相反的時間箭頭向前和向後演化。
這項發表在最新一期《通信物理學》（Communications Physics）上的研究指出，我們需要重新思考在量子定律發揮關鍵作用的情況下，如何理解和表現時間流。
幾個世紀以來，哲學家和物理學家一直在思考時間的存在。在古典物理學世界中，我們的經驗似乎消除了任何對時間的存在和變化的懷疑。事實上，在自然界中，所有的事物往往會自發地從無序程度較低的狀態，演化到無序程度較高的狀態，這種傾向可以用來識別時間之箭。在物理學中，這是用「熵增」來描述的，熵是定義系統無序程度的物理量。
熵增是什麼？一個收拾好的房間，隨著時間的推移，只會變得越來越亂，或越來越舊，如果不依靠外力，不可能自發地回到剛開始整潔的狀態；樹葉只會從樹枝上落下來，不可能自發地回到原來的位置……世間萬物都可以看成一個封閉的系統，它總會從有序的狀態向無序的狀態演變，而這就是熵增。
時間的流逝，就可以用熵增來識別，換句話說，如果時間逆轉了，不需要施加外力，也會出現自發的熵減，樹葉會自己回到樹上，房間會自己由亂變整潔。但這種事情在現實世界從來沒發生過，所以我們可以說時間是不會逆流的。但是，在量子領域，就不一定了。
來自布裡斯託大學量子工程技術實驗室（QET實驗室）的朱利亞·魯比諾博士（Giulia Rubino）說：「如果一個現象產生了大量的熵，那麼觀察它的時間反轉是不可能的。然而，當熵足夠小時，觀察一個現象的時間反轉自然發生的概率是不可忽略的。」
「例如，如果我們看到牙膏從牙刷自發地回到牙膏管裡，我們會認為時間發生逆流了。但是，如果我們輕輕擠壓牙膏管，使牙膏只露出一小部分，如果它自發地回到牙膏管裡，我們就無法斷定是時間發生了逆流（假設會發生），還是被大氣壓擠回牙膏管裡的。」
也就是說，牙膏回到牙膏管裡，有兩種時間狀態，一種是時間逆流，一種是時間順流（被氣壓擠回去）。當然這在現實世界中，只有後者會發生，但是在量子領域（當然量子領域沒有牙膏，舉牙膏的例子只是一個形象的類比），兩者之一，或兩者都有可能發生。
研究人員把這個想法應用到量子領域，其中一個特性是量子疊加原理，根據這個理論，如果一個量子系統的兩種狀態都是可能的，那麼這個系統也可以同時處於兩種狀態。將這一原理擴展到時間箭頭，結果是量子系統在一個或另一個時間方向上演化，也可以在兩個時間方向上同時演化。
魯比諾博士說：「儘管這一觀點在應用於我們的日常經驗時顯得相當荒謬，但在最基本的層面上，宇宙定律是基於量子力學原理的。這就引出了一個問題：為什麼我們在自然界中從未遇到過這些時間流的疊加。」
來自巴利阿裡群島大學的合著者岡薩洛·曼扎諾博士（Gonzalo Manzano）說：「在我們的工作中，我們量化了一個系統在量子疊加過程中產生的熵，該過程具有相反的時間箭頭。我們發現這通常會導致將系統投射到一個定義明確的時間方向上，對應於兩個過程中最可能的過程。然而，當涉及到少量的熵時，那麼人們就可以從物理上觀察到系統同時沿向前和向後的時間方向演化的後果。」
這項工作在量子熱力學方面也具有實際意義。將量子系統置於交替時間箭頭的疊加中，可以在熱機和冰箱的性能方面提供優勢。
魯比諾博士說：「雖然時間通常被視為一個不斷增加的參數，但我們的研究表明，在量子力學環境中，控制時間流動的規律要複雜得多。我們需要重新思考在量子定律發揮關鍵作用的所有情況下，表示時間這個參數的方式。」
