科学家研究时间如何向前推进

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【大纪元9月8日讯】(大纪元记者林秀璟编译报导)你真正认识时间吗?时间无情地逝去、流水不断地往低处走、山峦不停地被侵蚀,以及人生生老病死,一切总是有规律的遵循着“成住坏灭”的原则。一般人对时间的概念多停留在过去、现在与未来的差异;韶光荏苒,个中道理就无法深入理解。别担心,即使是科学家也无法对时间的定义说清楚。

由美国物理学会所编辑出版的《物理评论快报》(Physical Review Letters),于8月29日101期的期刊发表了一篇由加州大学柏克莱分校科学家Edward Feng与劳伦斯柏克莱国家实验室科学家Gavin Crooks的学术论文,名为“时间之箭的长度”(Length of Time’s Arrow)。

据physorg.com网站消息,作者在论文中描述:“几乎所有基础的物理理论–古典力学、电动力学、量子力学与广义相对论等等,均与时间反转(time reversal)相对称。”唯一可以辨认时间偏好方向的基础理论便是热力学第二定律(second law of thermodynamics)。热力学第二定律指出当时间迈入未来,宇宙之熵(entropy of the Universe)也会跟着增加。这个解释提供了一种定向,或是时间之箭以及一般相信所有其他的“时间不对称”(time asymmetry),都是热力学箭头的直接结果,就象我们感觉到未来与过去的差异一般。

研究中作者发现了精确测量“时间不对称”的方法。所谓的“时间不对称”是指我们对时间的直觉反应–过去与未来的差异,它与“时间对称”的概念相反,在“时间对称”中过去与未来并不存有任何的差异。

科学家在各种实验里研究能耗(energy dissipation)或熵的增加。在宏观世界里,当一杯牛奶溢出时,“时间不对称”相当明显;但透过微观的观察,由于牵涉的能量相当有限,所以要断定熵增加或者时间是向前移而非向后返就不容易。实际上,在某些间隔期,熵或许真的减少了。所以,即使熵在整体上平均值增加了、与热力学第二定律也相吻合,但是在实验中并非每时每刻的时间方向都那么显着。而且,科学家也发现即使平均熵增加了,并不保证“时间不对称”,但是平均熵增加却可以在“时间对称”的情境下出现。

Feng和Crooks希望他们新的量测方法可以解释当熵减少了,时间是如何向前推进。为了达到这个目的,他们分析附着在二个微小珠子间、单一RNA分子的折叠与展开。科学家利用控制一个小珠子与相连的光学雷射陷阱(optical laser trap)距离,来伸展与压缩这个RNA分子。最初RNA始于热平衡(thermal equilibrium),但是当它轮流伸展和收缩后,RNA与周围洗涤液(surrounding bath)的总熵平均值却增加了。

此研究使用整体的、或大量RNA轨道来测量“时间不对称”,以工作测量(work measurement)来做前进与后退实验,在这些测量中,科学家只插入一个A式子(或“时间不对称”)。研究假设已知自由能变化(free energy change),这将得到时间之箭长度的平方。

为了测量“时间不对称”,一位观察伸展与压缩RNA轨道的研究员应能分辨轨道是否因伸展与压缩而产生。科学家使用Jensen-Shannon divergence,将观察的发现量化。如果伸展与压缩完全相同,分数是0;如果它们随时都是可区别的,分数是1;假若情况有时重叠,则会得到介于0到1之间的分数。

Feng与Crooks解释这种概率比起平均熵的简易测量,更能精确描绘“时间不对称”,因为平均熵对于不寻常结果很敏感。例如,假如RNA混乱,当小珠张开时它就会抗拒伸展。因为混乱的RNA会以非常缓慢的方式张开,这种过程基本上是“时间对称”。科学家证实,这种过程的模式有较大的平均耗损或熵增加,但有较小的“时间不对称”,如同一个人的直觉是由于缓慢的拉扯。

由于Jensen-Shannon divergence的数学形式,让它比平均耗损更佳。除了理论上的突破之外,此研究也提供了诸如在非平衡实验中估计自由能差距的应用。研究指出,了解“时间不对称”与熵之间的关系,对于研究分子马达以及其他生物机械也很重要。
(http://www.dajiyuan.com)

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