출처: https://phys.org/news/2017-12-arrow-relative-concept-absolute.html

Schematic of the experimental setup. (A) Heat flows from the hot to the cold spin (at thermal contact) when both are initially uncorrelated. This corresponds to the standard thermodynamic arrow of time. For initially quantum correlated spins, heat is spontaneously transferred from the cold to the hot spin. The arrow of time is here reversed.

실험과정 개요도. (A) 초기에 무상관 관계에 있는 스핀들의 경우 열은 뜨거운 스핀에서 차가운 스핀으로 흐른다(열적 접촉 시). 이는 일반적인 열역학적 시간의 흐름에 부합한다. 하지만 초기에 양자적 상관관계에 있는 스핀들의 경우, 열은 우발적으로 차가운 스핀에서 뜨거운 스핀으로 흐른다. 따라서 여기에서는 시간의 흐름이 역전되었다. (B) 

An international team of researchers has conducted an experiment that shows that the arrow of time is a relative concept, not an absolute one. In a paper uploaded to the arXiv server, the team describe their experiment and its outcome, and also explain why their findings do not violate the second law of thermodynamics.

국제 공동연구팀이 물리실험을 통하여 시간이 방향이 절대적인 개념이 아니라 상대적인 개념임을 보였다. arXiv 서버에 게시된 논문에서 연구팀은 해당 실험과 그 결과를 기술하고 있으며, 또한 해당 결과가 왜 열역학 제2법칙을 위배하지 않는지를 설명하고 있다.

The second law of thermodynamics says that entropy, or disorder, tends to increase over time, which is why everything in the world around us appears to unfold forward in time. But it also explains why hot tea grows cold rather than hot. In this new effort, the researchers found an exception to this rule that works in a way that doesn't violate the rules of physics as they have been defined.

열역학 제2법칙에 따르면 엔트로피는 시간이 지남에 따라 증가한다. 바로 이 때문에 우리는 시간이 한 방향으로만 흐르는 것처럼 느끼며, 뜨거운 차가 왜 시간이 지나면 차가워지는지를 설명할 수 있다. 하지만 이번 연구에서 연구팀은 열역학 제2법칙에서 제외되는 경우를 찾았으며, 이러한 경우가 현재 우리가 규정하고 있는 물리법칙을 위배하지 않음을 보였다.

The idea of entangled particles has been in the news a lot lately as researchers around the world attempt to use it for various purposes—but there is another lesser-known property of particles that is similar in nature, but slightly different. It is when particles become correlated, which means they become linked in ways that do not happen in the larger world. Like entanglement, correlated particles share information, though it is not as strong of a bond. In this new experiment, the researchers used this property to change the direction of the arrow of time.

얾힘 상태에 있는 입자의 개념은 최근 연구자들이 이를 다양한 목적으로 활용하려 시도하면서 자주 뉴스에 등장하고 있다. 하지만 본질적으로 유사하지면 약간은 다른, 그리고 별로 알려져 있지 않은 입자 성질이 있다. 바로 상관 상태에 있는 입자 개념인데, 이는 두 개 이상의 입자들이 거시세계에서는 볼 수 없는 방법으로 서로 연결되어 있는 상태를 말한다. 얽힘 상태와 마찬가지로 상관 상태에 있는 입자는 정보를 서로 간에 공유하나 결합 상태에서처럼 강하게 하지는 않는다. 이번 실험에서 연구팀은 상관적 성질을 사용하여 시간이 흐르는 방향을 바꾸려 시도했다.

The experiment consisted of changing the temperature of the nuclei in two of the atoms that exist in a molecule of trichloromethane—hydrogen and carbon—such that it was higher for the hydrogen nucleus than for the carbon nucleus, and then watching which way the heat flowed. The group found that when the nuclei of the two atoms were uncorrelated, heat flowed as expected, from the hotter hydrogen nucleus to the colder carbon nucleus. But when the two were correlated, the opposite occurred—heat flowed backward relative to what is normally observed. The hot nucleus grew hotter while the cold nucleus grew colder. This observation did not violate the second law of thermodynamics, the group explains, because the second law assumes there are no correlations between particles.

해당 실험의 요점은 트리클로로메탄 분자의 내부에 있는 원자 2개(수소와 탄소)의 원자핵 온도를 바꾸어 수소 원자핵의 온도를 탄소 원자핵의 온도보다 높인 다음 열에너지가 어떻게 흐르는지를 관찰하는데 있었다. 실험 과정에서 연구팀은 수소 원자와 탄소 원자가 무상관 관계일 경우에는 열에너지가 고온에서 저온으로 정상적으로 흐르는 것을 관찰했다. 하지만 수소 원자와 탄소 원자가 서로 상관관계에 있을 경우에는 반대의 현상이 발생, 열에너지가 거꾸로 저온에서 고온으로 흘렀다. 다시 말해 뜨거운 원자핵이 더 뜨거워지고 차가운 원자핵은 더 차가워진 것이다. 연구팀은 해당 실험결과가 열역학 제2법칙을 위반하지 않는다고 설명했는데, 왜냐하면 열역학 제2법칙은 입자들 간에 상관관계가 없다고 가정하기 때문이다.

More information: Reversing the thermodynamic arrow of time using quantum correlations, arXiv:1711.03323 [quant-ph] arxiv.org/abs/1711.03323

논문정보: 양자적 상관관계를 활용한 양자적 열역학적 시간의 방향 역전, arXiv:1711.03323 [quant-ph] arxiv.org/abs/1711.03323

Abstract

논문개요

The second law permits the prediction of the direction of natural processes, thus defining a thermodynamic arrow of time. However, standard thermodynamics presupposes the absence of initial correlations between interacting systems. We here experimentally demonstrate the reversal of the arrow of time for two initially quantum correlated spins-1/2, prepared in local thermal states at different temperatures, employing a Nuclear Magnetic Resonance setup. We observe a spontaneous heat flow from the cold to the hot system. This process is enabled by a trade off between correlations and entropy that we quantify with information-theoretical quantities.

열역학 제2법칙은 자연적 현상의 흐름방향을 예측할 수 있도록 해주며, 이로써 열역학적 시간의 방향을 규정한다. 하지만 일반적인 열역학에서는 상호작용하는 계 사이에 초기 상관관계가 없다고 가정한다. 본 논문에서 우리는 핵자기공명 방식을 사용하여 국부적인 열적 상태에서 서로 다른 온도로 준비된, 초기에 양자적으로 상관관계에 있는 1/2 스핀 두 개를 대상으로 시간이 흐르는 방향을 역전시킬 수 있음을 실험을 통해 보이고자 한다. 해당 과정은 상관관계와 엔트로피 간의 교환으로 가능하며, 이는 정보이론적 수치로 수량화가 가능하다.