新热力学：量子物理学如何改变规则

资料来源:埃德加？k

只有鲁莽的物理学家敢于尝试打破热力学定律。然而，事实证明，可能有办法改变这些法律。在牛津大学的一个实验室里，量子物理学家正试图用一小块人造钻石来做这件事。起初，淹没在一堆光纤和镜子中的钻石几乎看不见。然而，当研究人员打开绿色激光器时，钻石中的缺陷被照亮，晶体开始发出红光。

在这束光中，科学家们发现了一种效应存在的初步证据，这种效应仅在几年前才被理论化:量子推动可以使钻石的能量输出高于经典热力学的限制。如果结论成立，它们将为量子热力学的研究带来真正的好处。量子热力学是一个相对较新的领域，旨在揭示原子尺度上控制热和能量流动的规律。

违法

热力学经典定律的发展可以追溯到19世纪。他们出生于理解蒸汽机和其他宏观系统的努力。温度和热量等热力学变量本质上是统计的，是根据大粒子群的平均运动来定义的。但回到20世纪80年代，罗尼·科斯洛夫，这一领域的早期先驱，以色列希伯来大学的研究员，开始思考这种情况是否仍然适用于一个小得多的系统。

科斯洛夫说，这在当时不是一个受欢迎的研究分支，因为要回答的问题大多是抽象的，与实验结合的希望渺茫。"这个领域发展非常缓慢。"科斯洛夫说，“我独自工作了很多年。”

大约十年前，随着技术小型化问题变得越来越迫切和实验技术的突破，这一切都发生了很大的变化。研究人员已经开始了一系列的尝试来推断热力学和量子理论是如何结合的。然而，科斯洛夫表示，由此产生的提议带来了更多的困惑，而不是让问题变得更清楚。有些人声称，量子元素可以打破经典热力学极限而不被破坏，因此它们可以被用作永动机，无需任何能量输入就可以工作。其他人认为热力学定律应该在很小的范围内保持不变。然而，他们同样感到困惑。“在某些情况下，你可以用同样的等式来推断单个原子发动机和汽车发动机的性能。”科斯洛夫说，“但这看起来也令人震惊——可以肯定的是，当物体变得越来越小时，它们应该会达到一定的量子极限。”在经典热力学中，单个粒子没有温度。因此，德国弗赖堡大学的量子物理学家托比亚斯·谢茨(Tobias Schaetz)认为，随着工作的系统及其环境接近这一极限，想象它们将遵守标准热力学规则越来越荒谬。

寻找极限

受信息是一个物理量并且与热力学密切相关的思想的启发，研究人员试图重写热力学定律，以便他们也能在量子领域工作。

永动机似乎是不可能的。然而，早期的希望是量子热力学给出的限制可能不像经典领域那样严格。“这是我们从量子计算中学到的一系列想法，也就是说，量子效应有助于打破经典界限。”以色列理工学院的量子物理学家Raam Uzdin说。

他还表示，情况并非如此，令人失望。最新的分析显示，第二定律(控制效率)和第三定律(禁止系统达到绝对零度)的量子版本保持了与传统“化身”相似的限制，在某些情况下甚至更严格的限制。

该理论还揭示了一些潜在的空间。在一项探索充满粒子的热室和冷室之间信息流运动的理论分析中，一个由西班牙巴塞罗纳光子科学研究所的量子物理学家阿尔瑙·里埃拉和马纳本德拉·纳特·贝拉组成的团队发现了一个奇怪的现象:热室似乎会自然变热，而冷室则变冷。"起初，它看起来很疯狂，好像我们已经打破了热力学定律."贝拉说。然而，研究人员很快意识到他们忽略了量子扭曲，也就是说，腔室中的粒子会相互纠缠。理论上，创造和打破这些联系提供了一种储存和释放能量的方式。一旦这个量子资源被包括在内，热力学定律将逐渐出现。

一些独立的团队提议利用这种纠缠在“量子电池”中储存能量。与此同时，意大利理工学院的一个团队正试图用超导量子比特制成的电池来证实巴塞罗那团队的预测。原则上，这种量子电池比传统电池充电快得多。“你不能在传统限制允许的范围之外提取和储存能量——这是由第二定律决定的。”里埃拉说，“但是你也许能够加速能量的提取和储存。”

一些研究人员正在寻找在量子计算应用中操纵比特的更简单的方法。加拿大滑铁卢大学的量子物理学家纳伊莱·阿祖塞纳·罗德里格斯·布里奥斯和他的同事设计了一种操作，通过操纵量子比特对的能级，可以提高量子计算操作所需的冷却能力。目前，他们正计划使用超导量子位在实验室里测试这个想法。

迈出重要的一步

量子效应可以用来改善热力学性能的概念也为牛津大学正在进行的钻石实验提供了灵感。这项实验首先由希伯莱大学的科斯洛夫、乌兹丁和阿米卡姆·利维提出。氮原子在钻石中产生的分散缺陷可以作为发动机——首先与高温热源(在本实验中是激光)接触，然后与低温热源接触，机器就可以运转。然而，科斯洛夫和他的同事们希望这种引擎能够利用量子效应，让一些电子同时以两种能量状态存在，从而在增强模式下运行。通过发射激光脉冲而不是使用连续光束来维持这些叠加状态，钻石晶体应该能够更快地释放微波光子。

最近，牛津大学的团队发布了一份初步分析，并展示了预测量子推力存在的证据。尽管这篇论文还没有得到同行的评价，埃克塞特大学的量子物理学家珍妮特·安德斯说，如果这项工作继续下去，“这将是一项突破性的成就”。然而，安德斯也认为，到底是什么使这一“壮举”成为可能还不清楚。“它看起来像一种神奇的燃料。它不需要增加太多的能量，但可以让发动机更快地提取能量。”安德斯说，“理论物理学家仍然需要研究它是如何做到这一点的。”

奥格斯堡大学的量子物理学家彼得·亨吉(Peter Hä nggi)认为，聚焦实验只是复兴该领域过程中朝着正确方向迈出的重要一步。但对他来说，这些测试不够大胆，不足以给出一个真正突破性的观点。同时，还有另一个不可忽视的挑战:测量操作和与环境的相互作用将对量子系统造成不可逆转的干扰。亨吉说，这些影响很少在新测试的理论建议中得到充分考虑。"这很难计算，在实验中更难实现."

领导钻石实验的牛津大学实验室的伊恩·沃尔姆斯利也对该领域的未来持谨慎态度。尽管近年来沃尔姆斯利和其他实验者被量子热力学研究所吸引，他说他们的兴趣主要是“机会主义的”。他们找到了进行相对快速和简单测试的机会，即通过已成功安装用于其他目的的设备。例如，金刚石缺陷测试装置已被广泛用于研究量子计算和传感器应用。沃尔姆斯利认为，目前量子热力学领域正在蓬勃发展。“但我们将看看它是否会继续活跃，或者最终什么都不会。”(宗华编译)

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