时间可能快慢并存？新研究将验证该量子特性

超高精度原子钟概念图。（Shutterstock）

一份近日发表的研究提出了利用超高精度原子钟来测试时间流逝率的变异（即时间流动的不对称性）的新构想。

在爱因斯坦的相对论中，“时间膨胀”（time dilation）的概念说明了，时间流逝的速度取决于观察者的速度与位置。而在量子世界中，时间则展现出更违反直觉的行为，这被称为“量子双生子悖论（quantum twin paradox）”，它描述了时间如何能够同时以快与慢的状态“叠加”存在。（关于“双生子悖论”，参见《新研究检验量子版爱因斯坦双生子悖论》）

藉由超高精度原子钟，以及从“囚禁离子量子计算”（trapped-ion quantum computing，基于离子阱的量子计算）发展出的技术，科学家正逐渐接近以实验方式来验证时间本身的量子本质。

时间并非恒定不变

对生活在地球上的我们而言，时间似乎相对恒定不变。除了人类某些巧妙的人为干预情况之外，时间一秒接着一秒地无可阻挡地流逝，仿佛永不停歇地向前推进。但在相对论与量子理论的极端世界里，时间绝非恒定不变。

20世纪初，爱因斯坦透过他的狭义相对论，首次阐明了证明了“时间膨胀”的概念——即时间的流逝速度会因观察者的速度与位置而有所不同。最经典的例子是：若你将自身加速至接近光速，那么时间（至少从你的角度来看）将会趋于停止。

虽然这本身已够令人难以置信了，但量子力学则用更夸张的方式进一步颠覆了这个概念。根据物理学家的理论，时间本身在理论上也可能处于量子叠加态，也就是说，它可以同时处于“流逝得快”与“流逝得慢”两种状态。

超高精度原子钟的关键角色

然而，要验证这个理论并不容易。不过，一项由史蒂文斯理工学院（Stevens Institute of Technology）、美国国家标准与技术研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）以及科罗拉多州立大学（Colorado State University）的科学家共同主导的新研究指出，这件事或许真的可行。

关键在于使用超高精度原子钟，并结合为“囚禁离子量子计算”所开发的量子资讯技术。研究团队认为，将这两项技术结合起来，有望揭示量子层级中时间的新特性。这项研究成果已于4月20日发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）期刊上。

来自史蒂文斯理工学院的研究资深作者皮科夫斯基（Igor Pikovski）在新闻稿中表示：“时间在量子理论和相对论中扮演着非常不同的角色。我们所展示的是，把这两个概念结合起来，可以揭示时间流逝中那些隐藏的量子特征，而这些特征已无法再用经典物理来描述。”

这个概念被称为“量子双生子悖论”。以著名的“薛定谔的猫”为例，理论物理学家薛定谔（Erwin Schrödinger）曾说明：在测量发生之前，一个系统可以同时处于两种完全不同的状态。这就是所谓的“叠加态”（superposition）。

若把这个概念延伸到时间领域，“薛定谔的猫”不仅可能同时处于生与死的状态，它甚至可能同时处于“年老”与“年轻”的状态。

囚禁离子时钟的实验验证

皮科夫斯基已投入超过15年时间，试图证明这种量子奇异现象，如今他相信，超高精度原子钟的出现正是解答的关键。

研究团队利用NIST与科罗拉多州立大学共同开发的“囚禁离子”时钟（该技术透过将铝或镱冷却至接近绝对零度，以便用雷射精准操控其量子状态），并控制他们所观测的原子周围的真空环境，成功创造出他们所称的“挤压态”（squeezed state）。

理论上，这将使原子钟能揭示量子世界中相对论时间的新行为，并为实验验证“量子双生子悖论”开启大门。

皮科夫斯基告诉《Science Alert》：“我认为这能给我们提供一些线索，以及实验上的依据，说明我们日常对现实的认知有多么具有误导性。量子理论不仅很离奇，它还暗示宇宙存在着具有一种与日常经验相悖的根本结构。”

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