时间翻转的光子不能用于重现“回到未来”，但它可以帮助我们弄清楚宇宙中一些最神秘的现象。
物理学家第一次让光看起来在时间上同时向前和向后移动。 这项新技术可以帮助科学家改进量子计算并理解量子引力。
通过使用特殊的光学晶体分裂光子或光包，两个独立的物理学家团队实现了他们所说的“量子时间翻转”，其中光子存在于前向和后向时间状态。
这种效应源于量子力学的两个奇怪原理的融合，即支配非常小的行为的违反直觉的规则。 第一个原理，量子叠加，使微小粒子能够同时存在于许多不同的状态，或者它们自身的不同版本，直到它们被观察到。 第二个——电荷、宇称和时间反转 (CPT) 对称性——指出任何包含粒子的系统都将遵循相同的物理定律，即使粒子的电荷、空间坐标和时间运动像通过镜子一样翻转。
通过结合这两个原理，物理学家产生了一个光子，它似乎同时沿着和逆着时间之箭行进。 他们分别于 10 月 31 日和 11 月 2 日在预印本服务器 arXiv 上发布了双胞胎实验的结果，这意味着这些发现尚未经过同行评审。
“时间之箭的概念说明了我们在我们居住的宏观世界中观察到的时间的明显单向性，”其中一篇论文的第一作者、维也纳大学的物理学家 Teodor Strömberg 说。 我们“这实际上与许多物理基本定律存在紧张关系，这些定律大体上是时间对称的，因此没有首选的时间方向。”
热力学第二定律指出，系统的熵（其无序度的粗略模拟）必须增加。 熵被称为“时间之箭”，是物理学中为数不多的可以设定时间朝特定方向移动的量之一。
这种无序在宇宙中增长的趋势解释了为什么混合成分比分离它们更容易。 也正是由于这种不断增长的混乱，熵才与我们的时间感如此紧密地结合在一起。 库尔特·冯内古特 (Kurt Vonnegut) 的小说《五号屠宰场》(Slaughterhouse-Five) 中有一个著名的场景，它通过倒转二战来展示熵如何使时间的一个方向与另一个方向看起来不同：子弹从受伤的人身上吸走； 火被缩小，聚集成弹，堆放整齐，分离成复合矿物； 时间倒流消除了战争的混乱和破坏。
然而，由于熵主要是一个统计概念，它不适用于单个亚原子粒子。 事实上，在科学家迄今为止观察到的每一次粒子相互作用中——包括在世界上最大的原子对撞机大型强子对撞机内发生的每秒高达 10 亿次的相互作用——CPT 对称性得到了维持。 因此，似乎在时间上向前移动的粒子与在时间上向后移动的反粒子镜像系统中的粒子无法区分。 （反物质是在大爆炸期间与物质一起产生的，实际上并没有在时间上倒退；它只是表现得好像在遵循与正常物质相反的时间箭头。）
在新实验中发挥作用的另一个因素是叠加。 最著名的量子叠加演示是薛定谔的猫，这是一个思想实验，其中一只猫被放在一个密封的盒子里，里面装有一小瓶毒药，毒药的释放是由 alpha 粒子的放射性衰变触发的。 放射性衰变是一个随机发生的量子力学过程，所以最初不可能知道这只处于叠加状态的猫发生了什么，它同时是死的和活的，直到打开盒子并观察到结果。
这种状态叠加使粒子能够同时存在于前向和后向时间状态，但通过实验见证这一壮举是很棘手的。 为了实现这一目标，两个团队都设计了类似的实验，将光子沿着穿过晶体的两条独立路径的叠加进行分裂。 叠加的光子像往常一样在穿过晶体的一条路径上移动，但另一条路径被配置为改变光子的偏振，或者它在空间中指向的位置，就像它在时间上倒退一样移动。
通过将叠加的光子发送通过另一个晶体重新组合后，该团队通过多次重复实验测量了光子的偏振。 他们发现了一种量子干涉图案，一种明暗条纹图案，只有当光子被分裂并在两个时间方向上移动时才会存在。
Strömberg 说：“我们意识到过程的叠加更类似于同时顺时针和逆时针旋转的物体。”研究人员出于好奇心创造了他们的时间翻转光子，但后续实验表明时间翻转 可以与可逆逻辑门配对，实现任一方向的同时计算，从而为处理能力大大增强的量子处理器开辟道路。
理论上的可能性也从这项工作中萌芽。 未来的量子引力理论将广义相对论和量子力学结合起来，应该包括像本实验中那样的混合时间取向的粒子，并可以使研究人员能够窥视宇宙中一些最神秘的现象。
另一篇论文的主要作者、牛津大学物理学家朱利奥·奇里贝拉 (Giulio Chiribella) 说：“一个很好的说法是，我们的实验是对光子可能及时向前和向后演化的奇异场景的模拟。” ， 告诉我们。 “我们所做的是类似于一些模拟奇异物理学的实验，例如黑洞物理学或时间旅行。”