原文以Battle between quantum and thermodynamic laws heats up為標(biāo)題
發(fā)布在2017年3月29日的《自然》新聞上
原文作者：Davide Castelvecchi
物理學(xué)家試圖為量子尺度的物理過(guò)程重建熱量和能量定律。
量子熱力學(xué)這個(gè)年輕的領(lǐng)域正在迅速發(fā)展。它試圖協(xié)調(diào)量子理論和具有200年歷史的熱力學(xué)，同時(shí)也引起了熱議。
許多物理學(xué)家希望從量子力學(xué)定律出發(fā)重建熱力學(xué)，以解決長(zhǎng)期以來(lái)備受爭(zhēng)議的難題。當(dāng)然，這一研究也具有應(yīng)用意義：量子熱力學(xué)有助于判斷有關(guān)熱和效率的概念對(duì)微小的電子元件、乃至原子尺寸的機(jī)器是否適用。
盡管研究方法大量涌現(xiàn)——其中很大一部分都在今年三月于英國(guó)牛津舉行的第五屆量子熱力學(xué)大會(huì)上向世人展示過(guò)——但這一領(lǐng)域仍然一如既往地充滿爭(zhēng)議。歸根結(jié)底，問(wèn)題在于宏觀大尺度下支配熱和能的基本法則是否也決定著納米尺度系統(tǒng)中的行為，抑或需要引入新的法則。
人們的興趣正在飆升：據(jù)牛津大學(xué)的物理學(xué)家，本次量子熱力學(xué)大會(huì)的聯(lián)合組織者Vlatko Vedral介紹，今年有超過(guò)100位科學(xué)家參加了大會(huì)，相較于往年增長(zhǎng)了一倍。
另一位聯(lián)合組織者，新加坡南洋理工大學(xué)的理論物理學(xué)家Felix Binder表示，這樣的大會(huì)將各個(gè)分支領(lǐng)域的研究者聚到了一起，這些領(lǐng)域都有著不同的技術(shù)術(shù)語(yǔ)表述。他說(shuō)：“（大會(huì)）消除了許多不同研究方法之間的障礙。”
但一些物理學(xué)家，比如德國(guó)奧格斯堡大學(xué)的Peter H?nggi則告誡一些研究實(shí)為誤入歧途。他說(shuō)：“量子熱力學(xué)領(lǐng)域生長(zhǎng)迅速，但也有很多胡說(shuō)八道的內(nèi)容被寫成了論文，而且被人們談?wù)撝?。?/strong>
自從熱力學(xué)三定律相繼于十九世紀(jì)至二十世紀(jì)早期被定義下來(lái)，物理學(xué)家們一直為它們的意義爭(zhēng)論不休。這三定律分別指出：能量既不能憑空產(chǎn)生也不能憑空消失；一個(gè)孤立體系中的混亂度，或熵，總是不會(huì)減少的；絕對(duì)零度是不可達(dá)到的。
然而熱力學(xué)又是自相矛盾的。第二定律的爭(zhēng)議尤甚，該律為熱量轉(zhuǎn)化為功（比如蒸汽機(jī)中發(fā)生的過(guò)程）的效率設(shè)定了一個(gè)極限。熱力學(xué)第二定律指出，混亂度的產(chǎn)生是不可逆轉(zhuǎn)的，但一些物理學(xué)家指出，在微觀尺度下，這種說(shuō)法似乎與力學(xué)定律相矛盾——無(wú)論是牛頓力學(xué)還是量子力學(xué)。這些研究者稱，力學(xué)定律規(guī)定所有過(guò)程都是可逆的。
蒸汽機(jī)將熱能轉(zhuǎn)化為功；量子級(jí)機(jī)械服從的規(guī)律要如何能做到同樣的事情，物理學(xué)家就此爭(zhēng)論不休。
Walter Scriptunas II
研究者們已經(jīng)為解決這個(gè)難題提出了不同的方法，但沒(méi)有一個(gè)能讓所有人都滿意。正如西班牙光電科學(xué)研究所（ICFO）的Christian Gogolin所說(shuō)：“這個(gè)問(wèn)題總是有點(diǎn)不清不楚?！?/p>
Gogolin的研究方向是統(tǒng)計(jì)力學(xué)（該學(xué)科將溫度和熱等物理量視作大量粒子組成的系統(tǒng)的平均特性），以及發(fā)展統(tǒng)計(jì)力學(xué)的量子版本。一些物理學(xué)家堅(jiān)稱，這種統(tǒng)計(jì)力學(xué)方法意味著熵和熱等物理量取決于觀察者所掌握的信息。尤其地，一個(gè)全知的“神”一般的存在可以知道所有粒子的位置和運(yùn)動(dòng)，并計(jì)算出它們的演變，這種有序程度是由觀測(cè)者確定的。
由于很多物理學(xué)家都開(kāi)始將信息看作可量化、具有物理意義的事物, 這一方法在近年來(lái)得到了復(fù)興。
在由相對(duì)少量的粒子組成，并服從量子定律的系統(tǒng)中，統(tǒng)計(jì)力學(xué)甚至更加晦澀不清。舉例來(lái)說(shuō)，如果向無(wú)序發(fā)展的趨勢(shì)是一個(gè)純統(tǒng)計(jì)現(xiàn)象，那么在原則上，它或許就是不適用于單個(gè)分子的。然而在過(guò)去十年中，理論物理學(xué)家已經(jīng)提出，即使在僅有少數(shù)組分時(shí)，量子系統(tǒng)也還是會(huì)傾向于達(dá)到并保持平衡態(tài)——即極大無(wú)序態(tài)。針對(duì)真空中少量被激光束縛的原子的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這一觀點(diǎn)。
在一篇2011年發(fā)表在《自然》上的理論文章中，Vedral和他的合作者表明，量子關(guān)聯(lián)（相距遙遠(yuǎn)的粒子共享一個(gè)“糾纏”量子態(tài)的能力）可以被用來(lái)產(chǎn)生機(jī)械能。
不久前，物理學(xué)家對(duì)熱力學(xué)第三定律的研究也取得了進(jìn)展。在3月14日的《自然-通訊》上，倫敦大學(xué)學(xué)院的Lluis Masanes和Jonathan Oppenheim表明量子力學(xué)定律限制了從一個(gè)物體中獲取熱量的速度，并表明絕對(duì)零度要花費(fèi)無(wú)限的時(shí)間才能達(dá)到（ncomms14538）。他們的工作似乎證實(shí)了熱力學(xué)第三定律來(lái)自量子力學(xué)的觀點(diǎn)。
牛津大學(xué)的理論物理學(xué)家Chiara Marletto和David Deutsch則提出了一個(gè)更為激進(jìn)的想法：一套所有物理理論都必需滿足的原理，一個(gè)包括量子力學(xué)在內(nèi)的法則都需服從的“萬(wàn)物理論”。在一篇2016年的預(yù)印論文中，Marletto勾勒了這套元理論將會(huì)如何依據(jù)物理轉(zhuǎn)化必須遵守的定律，重新定義熱力學(xué)概念。
無(wú)論這些爭(zhēng)論的結(jié)果如何，它們都有可能會(huì)對(duì)未來(lái)的技術(shù)產(chǎn)生潛在影響。物理學(xué)家已經(jīng)制造出了“量子熱機(jī)”——一種能在量子尺度上將熱轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ囊?。量子?jì)算機(jī)等應(yīng)用也正在從理論邁向現(xiàn)實(shí)世界，因此，在微小尺度上理解熱力學(xué)是至關(guān)重要的。
2011年《自然》論文的合作者，瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院的Renato Renner表示：“你不僅需要把算法設(shè)計(jì)得更快，它還得是熱力學(xué)上最優(yōu)化的?！?strong>?
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