巴西、英國和德國科學家最近的一項實驗實現了熱從冷的物體向熱的物體的自發流動，這完全違反了熱力學第二定律的經典表述，由熱力學第二定律定義的熱力學時間箭頭也相應地被反轉。人類是否制造了時間機器回到未來？

Fig.熵與無序性

在熱力學的經典表述中，熱力學第二定律說孤立系統的熵不會減小，所有的自發反應都是熵增加的方向。宏觀上，熵通過平衡系統與環境的熱交換來定義；微觀上，熵是系統混亂程度的度量。經典熱力學的全部內容都建立在經驗觀測和有限的數學上，這些經驗觀測從來未被推翻過，也就是說從19世紀中葉以來熱力學的第零、第一、第二、第三定律一直是許多科學領域里的鐵律。物理學家 Lídia del Rio 曾寫道：“熱力學定律就像一位女巫，很多人認為她有些奇怪，都想在她身上發現點什么，但沒有人敢和她起正面沖突。”

時間箭頭是亞瑟·斯坦利·愛丁頓爵士1927年提出的概念，用來描述時間的非對稱性，即時間的方向。在微觀上，幾乎所有的物理過程都是時間對稱的，即在時間反轉的條件下所有的理論表述仍然正確。但是在宏觀上，時間的方向是直觀和明顯的，比如墨汁在水里的擴散、熱不會自發地從冷的物體向熱的物體流動等等，這些時間相關的現象永遠不會自動反過來。熱力學第二定律說自發反應方向即熵增加的方向，因此熵增加的方向也就是宏觀時間箭頭的方向。

Fig.2 熱力學時間箭頭

熱力學在微觀或者量子尺度是否仍然有效？從1980年代英國物理學家Kolsoff開始探索這個問題到近年來隨著量子尺度理論和實驗的發展，量子熱力學逐漸成為一個熱門領域，已有數百位理論和實驗科學家在做相應的研究，如溫度、熱等基于大量粒子統計行為的概念和圖景在量子尺度上是否仍然適用、自由能在量子尺度上的從新定義、在傳統熱力學內容之外的不同尋常的物理過程等等。目前已經有多個量子尺度的實驗看上去違反了熱力學定律，比如Schaetz等人的聲子反射對粒子自旋漲落的增強，Kosloff等人的金剛石量子熱機等；在理論上，Freitas等人闡釋的量子冰箱在接近絕對零度時由于自發產生光子而使系統永遠不能到達絕對零度，Bera等人闡釋的初始為量子糾纏的系統使得冷源更冷、熱源更熱的過程等等。

在巴西物理學家Micadei和Peterson以及英國物理學家Serra、德國物理學家Lutz等人的實驗中，13C標記的CHCl3丙酮稀溶液被置于超導磁體中并使得具有1/2自旋的13C核與1H核形成2-量子比特的量子系統。隨著實驗的進行， 13C核與1H核的關聯度逐漸減弱，量子比特的狀態數因而逐漸減少，與系統混亂程度相關的熵因而也變小；同時，冷的量子比特變得更冷，熱的量子比特變得更熱。實驗所進行的自發過程反轉了熱力學時間箭頭的方向。熱力學第二定律被打破了嗎？

Fig.3 經典系統與量子系統各自的熵變情況

150年前麥克斯韋有一個著名的思想實驗。他的假想是，如果有一個妖怪能根據分子的運動速度通過一個開關把速度快的分子放到一邊從而獲得較高的溫度，同時把速度慢的分子放到另一邊從而獲得較低的溫度，那么便可以根據溫度的差異抽取出有用的能量。問題是這個妖怪除了操作開關之外對那些分子本身并沒做功。妖怪的行為違反了熱力學第二定律。事實上，物理學家逐漸意識到，妖怪必須要付出熱力學代價來處理有關分子運動速度的信息。它必須在它的腦子里存儲、刪除、改寫那些信息，這些過程需要消耗能量并會使總的熵增加。信息曾被認為是非物質的，但是麥克斯韋妖表明，信息可以有物理的客觀效應。

Fig.4 麥克斯韋妖

Micadei和Serra等人的實驗實質上在他們的孤立量子系統中反轉了熱力學時間箭頭。Serra說：這一反轉是量子關聯與熵之間的交易，是量子關聯的減弱使得熱從冷的量子比特流向了熱的量子比特；實驗結果表明，時間箭頭并非一個絕對的概念，它強烈取決于初始條件的選擇，因而是相對的。在Micadei等的報道之前，法國科學家Przadka等2012年的水的引力毛細波實驗和ETH Zurich科學家Hofmann等2016年的GaAs/AlGaAs量子點理論和實驗研究中也都曾實現過時間反轉。

量子熱力學時間箭頭的實驗以及理論并沒有讓我們離制造時間機器更近，但有可能推進我們對宇宙起源的思考。宇宙學中長久以來困擾人們的迷題之一是，為什么宇宙起源于一個熵值極低的狀態，從而允許熵在整個宇宙的發展歷史中隨著時間不斷增加。熵與量子糾纏相結合，Serra希望他們的實驗對宇宙時間箭頭的討論也能有所促進。