时间的箭头：我们为什么只记得过去而非未来

北京时间8月5日消息，据科学日报报道，比利时布鲁塞尔自由大学的理论物理学家研发了量子理论的一个完全对称方程式，它确定了不对称性与我们可以记住过去而非未来这一事实之间的精确连接。 经典力学定律与时间方向是独立存在的，但这在量子力学里是否正确一直备受争论。但达成共识的是主宰独立量子系统的定律是时间对称的，根据似乎只适用于时间向前移动的准则，测量会改变系统的状态，且对这种效应的解释存在差异。

时间的箭头：我们为什么只记得过去而非未来

现在布鲁塞尔自由大学的理论物理学家提出了量子理论的一个完全时间对称方程式，它确定了不对称性与我们可以记住过去而非未来这一事实——这个现象被物理学家史蒂夫•霍金称为时间的“心理学”箭头——之间的精确连接。

这项研究提供了自由选择和因果关系概念的新见解，并提出在物理学基本理论里不应该考虑因果关系。它还拓展了美国物理学家尤金•保罗•维格纳(Eugene Paul Wigner) 提出的量子力学里的奠基石定理，指出了寻找已知模型以外物理学的新方向。这些发现被发表在期刊《自然•物理学》上。

我们在当下做出的选择可以影响未来事件而非过去事件这一观点反映在标准量子理论准则里，也就是量子理论学家称为“因果关系”的原则。

为了理解这一原则，文章作者分析了量子理论背景下选择这一概念的真正意义。例如，我们认为一个实验者可以选择对某一个特定系统进行什么样的测量，但却无法选择测量的结果。相应的，根据因果关系原则，测量的选择只与未来的测量结果有关，而测量结果可以与过去以及未来测量的结果都相关。研究人员因此提出，定义的特性——我们根据它来解释变量描述了测量（取决于测量者的选择）其实早在实际测量进行之前就已经知道了。

从这个角度看，因果关系原则可以被理解为在不同时间可以获得的不同变量信息的限制。这一限制并不是时间对称的，因为测量的选择和测量的结果是后验的。根据这项研究，这才是蕴藏在量子理论标准方程式里不对称性的本质。

“量子理论的形成是基于不对称概念，它反映了我们了解过去并对预测未来感兴趣的事实。但是可能性这一概念是独立于时间的，从物理学家的角度看，试图从本质对称的角度形成理论也是说得通的，”文章首席作者奥格尼扬•奥尔什科夫（Ognyan Oreshkov）这样说道。为了达到这个目的，作者提出采用测量的一个新概念，这一概念的定义不只是基于过去的变量，也可以依赖未来的变量。“在我们提出的方法里，测量不仅被解释为取决于‘个体’的自由选择，也描述了不同时空区域可能事件的信息。”文章合作作者、布鲁塞尔自由大学量子信息与通信中心主任尼古拉斯•科夫（Nicolas Cerf）这样说道。

遵循这一方法的量子理论时间对称方程式里，因果关系和时间的心理学箭头原则都产生于物理学家所谓的边界条件——根据理论进行预测所基于的参数，但这些参数的值原则上是随意的。因此，例如根据这一新方程式，可以想像在宇宙某些部分因果关系可能是不成立的。

时间对称方程式的另一个结果便是对维格纳提出的基本定理的延伸，这些基本定义描述了物理对称性的数学表征，是理解很多现象，例如存在什么基本粒子的中心。这项研究显示了在新的方程式里，对称性可以体现在标准方程式不允许存在的方式上，这或可能具有意义深远的物理学含义。其中一种可能性便是这样的对称性可能与量子引力理论有关，因为它们具备被推测只发生在黑洞存在的情况下的转变形式。

“我们的工作显示了如果我们相信时间对称性是物理学基本定律的特性，我们必须考虑标准量子理论构想以外的现象的可能性。至于这种现象是否存在，以及我们去哪里寻找它们则是一个巨大的开放性问题。” 奥尔什科夫解释道。