打破经典热力学极限科学家尝试量子物理学改变规则

　　据中国科学报12月5日报道，英国量子物理学家正在利用人造钻石做实验，试图证明一种几年前刚被理论化的效应：量子推动可使钻石的功率输出高于经典热力学限定的水平。

　　（图自中国科学报）

　　只有鲁莽的物理学家，才敢于尝试打破热力学定律。不过，事实证明，或许真有改变这些定律的办法。在英国牛津大学的一间实验室里，量子物理学家正试图利用一小块人造钻石做到这一点。起初，这颗淹没在乱七八糟的光学纤维和镜子中的钻石几乎不可见。不过，当研究人员打开绿色激光器时，钻石中的缺陷被照亮，晶体开始发出红色的光。

　　在这束光线中，科学家发现了一种几年前刚被理论化的效应存在的初步证据：量子推动可使钻石的功率输出高于经典热力学限定的水平。如果结论成立，它们将给量子热力学研究带来实实在在的好处。量子热力学是一个相对较新的领域，旨在原子尺度上揭示控制热量和能量流动的定律。

　　打破定律

　　经典热力学定律的发展要追溯到19世纪。它们诞生于理解蒸汽机和其他宏观系统所做的努力。诸如温度、热量等热力学变量本质上是统计性的，并且根据大型粒子群的平均运动被定义。但回到上世纪80年代，该领域的早期先驱、以色列希伯莱大学研究人员Ronnie Kosloff开始思考这种状况对于小很多的系统来说是否仍行得通。

　　Kosloff介绍说，当时这并不是一个流行的研究分支，因为要回答的问题大多是抽象的，同试验结合的希望也很渺茫。“这个领域发展得非常慢。”Kosloff说，“我孤军奋战了好多年。”

　　约十年前，随着关于技术微型化限制的问题变得日益紧迫以及实验技术取得突破，这一切发生了巨大改变。研究人员开展了一系列尝试，以推断热力学和量子理论如何被结合起来。然而，Kosloff表示，由此产生的提议带来了更多困惑，而非让问题变得更加清晰。一些人宣称，量子元件能在不受损伤的情况下打破经典热力学限制，因此可作为无须任何能量输入便能开展工作的永动机。其他人则提出，热力学定律应当在极小尺度下保持不被改变。不过，他们同样感到困惑。“在某些情形下，你可以利用相同的等式推断出单个原子发动机和汽车引擎的性能。”Kosloff介绍说，“但这同样看起来令人震惊——可以肯定的是，当物体变得越来越小时，应当会达到某个量子极限。”在经典热力学中，单个粒子并没有温度。因此，德国弗莱堡大学量子物理学家Tobias Schaetz认为，随着做功的系统及其环境趋近这一极限，想象它们会遵守标准热力学规则越来越成为一件荒谬的事情。

　　寻找极限

　　受到信息是一种物理量并且同热力学密切相关的想法启发，研究人员已尝试重新改写热力学定律，从而使其在量子领域也能行得通。

　　永动机似乎是不可能的。不过，早期的希望是量子热力学给定的限制和在经典领域相比可能没有那么严格。“这是我们从量子计算中学习到的一连串思路，即量子效应有助于打破经典界限。”以色列理工学院量子物理学家Raam Uzdin介绍说。

　　他同时表示，令人失望的是，事实并非如此。最新分析表明，第二定律（支配效能）和第三定律（禁止系统达到绝对零度）的量子版本和传统“化身”保持类似的限制，甚至在某些情形下保持更加严格的限制。

　　理论也揭示了一些潜在的余地。在一项探究信息流在充满粒子的热室和冷室之间移动的理论分析中，一个包括西班牙巴塞罗那光子科学研究所量子物理学家Arnau Riera和Manabendra Nath Bera在内的团队发现了一种奇怪的场景：热室似乎自发地变得更热，而冷室变得更冷。“起初，这看上去很疯狂，好像我们打破了热力学定律。”Bera介绍说。但研究人员很快意识到，他们忽略了量子扭曲，即腔室中的粒子会变得相互纠缠。理论上，产生并打破这些关联为储存和释放能量提供了方法。一旦这种量子资源被列入进来，热力学定律便逐渐显现出来。

　　一些独立团队提议利用此类纠缠在“量子电池”中储存能量。同时，一个来自意大利技术研究所的团队正尝试利用由超导量子比特构建的电池，确认上述巴塞罗那团队的预测。原则上，和传统电池相比，此类量子电池的充电速度会快很多。“你无法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。” Riera介绍说，“但你或许能令提取和储存能量的速度加快。”

　　一些研究人员正在寻找更加简单的方法操控量子计算应用的比特。加拿大滑铁卢大学量子物理学家Nayeli Azucena Rodríguez Briones和同事通过操控量子比特对的能级，设计了一种可能增强量子计算操作所需冷却能力的方法。目前，他们正计划利用超导量子比特在实验室中测试这一想法。

　　迈出重要一步

　　量子效应可被用于改善热力学性能的概念也为正在牛津大学开展的钻石试验带来了启发。该试验由Kosloff、Uzdin和同在希伯来大学工作的Amikam Levy最先提出。由氮原子创建的分散在钻石中的缺陷可充当发动机——这是一台在首先同高温热源（在该试验中是激光器），然后同低温热源发生接触后能执行操作的机器。不过，Kosloff和同事希望，利用使一些电子同时在两种能量状态下存在的量子效应，此类发动机可在增强模式下运行。通过发射激光脉冲而非利用连续光束维持这些叠加态，应当能使钻石晶体更加迅速地释放微波光子。

　　最近，这个基于牛津大学的团队公布了一项初步分析并展示了预言的量子推动存在的证据。虽然论文尚未接受同行评议，但埃克塞特大学量子物理学家Janet Anders表示，如果此项工作站得住脚，那么“它将是一项突破性的成果”。不过，Anders同时认为，到底是什么让这一“壮举”成为可能目前仍不清楚。“它看上去是一种神奇的燃料，不需要添加太多能量，但能使发动机更快地提取能量。”Anders表示，“理论物理学家仍需要研究它是如何做到这一点的。”

　　在奥格斯堡大学量子物理学家Peter Hanggi看来，聚焦试验只是在复兴这一领域的征程中朝着正确方向迈出了重要一步。但对他来说，这些试验还不够大胆，不足以给出真正有突破性的见解。同时，还有一个挑战不容忽视：测量操作以及同环境的互动会对量子系统产生不可逆转的干扰。Hanggi介绍说，这些影响很少被针对新试验的理论建议充分考虑到。“这很难计算，更难在试验中实现。”

　　领导开展钻石试验的牛津大学实验室的Ian Walmsley也对该领域的未来持谨慎态度。尽管Walmsley和其他实验人员近年来一直被量子热力学研究吸引，但他表示，他们的兴趣在很大程度上“带有机会主义”。他们发现了开展相对快速和简单试验的机会，即借助出于其他用途已经安装成功的装置。例如，钻石缺陷试验装置已被广泛用于研究量子计算和传感器应用。Walmsley认为，目前量子热力学领域正在蓬勃发展。“但它能否继续活跃下去，或者最终什么都不是，我们将拭目以待。”