近日，海南大学物理学者在“时间箭头”与熵增原理这一跨越百年的基础科学难题上取得重要理论突破。相关成果以《Bridging Quantum Mechanics and Thermodynamics: Irreversible Correlations as the Arrow of Time》为题正式发表。该研究从量子力学层面为宏观时间的单向流逝提供了全新的严格理论解释，标志着海南大学在基础物理前沿领域取得了重要进展。

直面百年诘问：时间为何不可逆？

从玻尔兹曼、普朗克到冯·诺伊曼，一个根本问题始终困扰着物理学家：微观层面的动力学规律是时间可逆的，为何我们感受到的宏观世界却存在单向的“时间箭头”？热力学第二定律指出孤立系统的熵永不自发减少，而量子力学中封闭系统的演化却是可逆的。这一深刻矛盾构成了物理学的基础性难题。

海南大学蔡庆宇教授团队的最新研究，直面这一冲突，从关联的独特视角给出了突破性的理论解答。

核心突破：发现关联的“不可逆性”

研究团队首次严格证明了一个关键性的 “不可行定理”：在封闭量子系统中，不存在任何普适的物理操作能够完全消除任意未知量子态之间的关联。这意味着，一旦量子系统在演化中产生了关联，在足够多粒子、足够大维度的体系中，这一关联的生成在物理上呈现出根本的不可逆性。

基于这一定理，研究建立了一个统一的理论框架：将热量从高温流向低温、孤立系统向平衡态演化以及退相干等不可逆现象，归因于关联在演化过程中持续生成且难以逆转。这一框架为时间箭头的形成以及热力学第二定律在不同物理体系中的普适有效性，提供了坚实的量子力学基础。

专家评价：触及根本的重要进展

中国科学院院士、著名理论物理学家孙昌璞对此项成果给予了高度评价：“这一工作从量子力学层面为熵增规律与时间箭头的诠释提供了坚实的理论基础，深刻揭示了量子与经典关联在物理中的核心作用，触及了一个根本性的科学问题，具有重要的理论意义。”。

团队与研究背景

本研究由海南大学蔡庆宇教授主导，与其研究生明熙共同完成。蔡庆宇教授长期致力于量子物理基础、量子信息与引力交叉领域的前沿研究，曾在黑洞信息丢失悖论等重大理论问题上取得具有国际影响力的成果，其相关研究曾荣获引力研究基金会论文奖竞赛一等奖（Gravity Research Foundation First Prize），该奖项是广义相对论与引力物理研究领域历史最悠久、国际认可度极高的奖项之一。

此项研究获得了国家自然科学基金委员会和海南省科学技术厅的资助。

原文链接： https://doi.org/10.1016/j.aop.2025.170318