在熱力學(xué)的第二定律中，孤立系統(tǒng)內(nèi)的熵（一個系統(tǒng)的無序程度）只增不減，比如一杯熱水在室溫下放一段時間后會變涼，但可能還沒有一杯涼水能自己在室溫下變熱。宇宙整體的熵會增加，這便是熱量會從溫度高的系統(tǒng)流至溫度低的系統(tǒng)的原因，事實上物理上時間的定義也可以說是由此而來。

但最近，一個巴西的研究小組在一項實驗中讓熱量自發(fā)地從一個冷的系統(tǒng)流向了一個熱的系統(tǒng)，強調(diào)了在量子熱力學(xué)的新興領(lǐng)域中，信息、熵與能量這三者間的關(guān)聯(lián)密切。

在實驗中，小組首先制備了一個由碳原子，氫原子和三個氯原子組成的分子， 然后使用磁場來對準碳氫兩個粒子的核自旋，或“量子位”，之后碳原子和氫原子的核會變得相互關(guān)聯(lián)，從而使這兩個粒子變成了一個不可分離的整體——一個包含兩個量子比特的量子態(tài)。

而正是這個相關(guān)性，造就了這一“違反”熱力學(xué)第二定律的現(xiàn)象。

一般來說，熵是被用來表示一個系統(tǒng)最多可以處于多少種狀態(tài)的（在你觀察并確認系統(tǒng)處于某一特定狀態(tài)前）。而在一個經(jīng)典系統(tǒng)中，系統(tǒng)的熵等于系統(tǒng)內(nèi)每個分部的熵的總和。

但在對于一個量子系統(tǒng)來說，熵衡量的其實是這個系統(tǒng)的相關(guān)性。一個兩量子比特系統(tǒng)在被觀察前可以處于四種不同的狀態(tài)，這四種狀態(tài)如果用0和1來表示的話便是00,01,10和11。而一個量子系統(tǒng)的熵便由系統(tǒng)處于每種可能狀態(tài)的概率決定，研究人員也由此能通過將單個量子比特的熵與系統(tǒng)的熵做對比來測量系統(tǒng)的相關(guān)性。

實驗從兩個強相關(guān)的粒子開始，而隨著實驗的進行，兩個粒子會逐漸退相關(guān)，導(dǎo)致它倆間的相關(guān)性減弱。參與了研究的巴西圣保羅ABC聯(lián)邦大學(xué)研究員Kaonan Micadei說： “這意味著，以單個粒子的熵為單位，熵的總和會減少?！?/span>

在一個不規(guī)則的，不相關(guān)的系統(tǒng)中，總的熵突然下降會違反第二定律。 但在這項實驗中，研究人員需要把相關(guān)性也考慮在內(nèi)。 倫敦帝國理工學(xué)院物理學(xué)家David Jennings說：“相關(guān)性的弱化類似于‘將熱量從較冷系統(tǒng)轉(zhuǎn)移至較熱的系統(tǒng)的燃料’?！?ABC聯(lián)邦大學(xué)物理學(xué)家和該研究的小組負責人Roberto Serra表示：“冷的量子比特越來越冷，熱的那個則越來越越熱。換句話說，熱量從冷的系統(tǒng)流到了熱的系統(tǒng)。而造成這一現(xiàn)象便是‘系統(tǒng)的相關(guān)性與熵之間的平衡’?！?/span>

Micadei說：“時間箭頭的方向（時間是矢量）的熱力學(xué)定義源于熵在一個封閉的系統(tǒng)中只能增加或是保持不變，但通過在實驗室中創(chuàng)建熵會減少的孤立系統(tǒng)，我們能夠使時間箭頭指向相反的方向?！?/span>

Serra 表示：“這意味著時間的箭頭不是一個絕對的概念，相反，它強烈地依賴于我們所設(shè)的定的初始條件?！?/span>

麻省理工學(xué)院物理學(xué)家，量子信息專家Seth Lloyd說：“雖然理論上我們已經(jīng)預(yù)見到這種情況的存在，但這是第一次有人確實在物理系統(tǒng)中逆轉(zhuǎn)了時間的箭頭。對于這個已經(jīng)存在了很久的理論來說，這是一次相當不錯的實驗證明?！?/span>

雖然目前的論文不會讓我們更接近于構(gòu)建一臺時間機器，但它可能對現(xiàn)實世界有著重要影響。 貝爾法斯特女王大學(xué)的物理學(xué)家Mauro Paternostro正在研究如何使用類似的效應(yīng)來創(chuàng)造效率非常高的量子熱泵。Mauro說： “大型量子機器（large-scale quantum thermo-machine）的潛在應(yīng)用十分廣泛?！?/span>

該研究同時也會影響人們對于宇宙起源的思考。宇宙學(xué)長久以來就有一個為什么宇宙非要始于一個低熵狀態(tài)，并允許熵在整個宇宙的歷史中隨著時間的流逝而增加（假設(shè)允許時間流逝）。 而通過將熵與量子糾纏結(jié)合起來，Serra希望這項實驗?zāi)軐τ钪鏁r間箭頭的討論產(chǎn)生“刺激性”的后果。