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这个打破热力学定律、允许时间倒流的理论,能为人类造出史上最高效的机器?
时间:2018-04-17 09:52:15来源:环球科学ScientificAmerican
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提要:我们总觉得只有傻瓜才会去质疑那些已经是板上钉钉的热力学定律,但量子物理正在改变我们对一些规则的认知。
这个打破热力学定律、允许时间倒流的理论,能为人类造出史上最高效的机器?

我们总觉得只有傻瓜才会去质疑那些已经是板上钉钉的热力学定律,但量子物理正在改变我们对一些规则的认知。

——物理学家弗拉特科·韦德拉尔

撰文 | 弗拉特科·韦德拉尔

翻译 | 王语嫣

审校 | 吴非

几年前,我产生了一个听起来有点疯狂的念头:我想要建造一台比物理定律所能允许的更为高效的机器。

你可能会质疑这个想法。毕竟一台机器的效率是由热力学所决定的,而热力学可能是物理学中最坚固的一根支柱。没人会质疑热力学定律的权威性。

但如果我现在离开我在牛津大学的办公室并沿着走廊走下去,我会看到一台可能超越经典热力学限制的机器。这台机器有着相当惊人的力量与精密度,它使用的不是活塞和机油,而是绿色激光和离子。目前我们离真正造出这样一台机器还有很长一段路要走,但我相信像这样的机器将会极大地改变未来科技。

造出更高效的计算机只是个开始,像这样的机器也是下一个科学时代的先驱。要造出这样的机器,我们首先要了解一个叫做量子热力学的领域。而这个领域将会重塑我们对于生命、这个宇宙乃至所有事物的存在形式的认知。

预测宇宙结局的定律

热力学研究的是一个系统的温度、热量、能量、做功之间的联系。热力学涵盖了这个世界的方方面面:从你的大脑到你的肌肉,从汽车引擎到厨房搅拌机,从恒星到类星体。通过热力学提供的理论基础,我们就能知道宇宙中哪些事情可以发生,哪些不能。如果你吃了个汉堡,你就要相应的消耗掉一些能量——要不然就会长胖;咖啡不会在桌子上自己变热;宇宙在不断膨胀的同时也在变冷,或许在遥远的未来不可避免地陷入热寂(注:宇宙的最终命运还没有定论,一种名为“热寂”的观点认为宇宙会无限膨胀,直到宇宙的无序度达到最大值,再也没有任何有效能量存在)。所有这些目前公认的事实都来自热力学。具体来讲,它们来自于热力学两个主要的定律,毫无创意地被命名为:第一定律和第二定律。

这两个定律的起源可以追溯到很久以前。说到它们的起源故事,我最喜欢的章节之一和尤里乌斯·冯·迈尔有关。迈尔是一位热爱物理的德国医生,19世纪40年代,他在一艘前往雅加达的船上当随行医生。在这期间,他发现一件奇怪的事:在靠近热带的地区,船上水手的静脉血管是深红色的,而不像在德国时是蓝色的。

他猜想(尽管后来发现是错的)造成这种现象的原因是在热带地区,人们不需要很多食物来维持体温(因此食物燃烧过程减少,人体耗氧量减少,所以静脉血里的含氧量更高,颜色也就更红)。迈尔在思考这个过程时,想到了第一定律的本质:能量不会凭空消失或产生,只会在几种形态之间互相转换。

而之后被称作热力学第二定律的法则,则可以追溯到迈尔登上那艘船的二十年以前。当时,蒸汽机正改造着整个欧洲,锅炉与活塞推动着工业革命中每一间厂房运转。萨迪·卡诺,一位法国工程师,对于没人知道这些蒸汽机运行的原理感到很不满,他决定自己探索这个原理。

他最重要的观察是,抛开这些机械部件,热的东西总是会向周围发散热量。比如说蒸汽机里的水,在被加热以后,总有一些热量会发散到周围的空气里,导致任何蒸汽机都无法达到百分之百的效率。1824年,他在他的唯一一本著作中提到,任何热机(利用温度差将热能转为机械能的机器)的效率都无法超过一个特定的上限,现在这个上限被称为卡诺效率。卡诺效率取决于高温热源(热量的来源,比如说用来烧水的火)以及低温热源(热量的去处,比如周围的空气)之间的温度差。

摆脱不了的熵

卡诺在几年后去世,他的书被忽视了几十年,直到被德国物理学家鲁道夫·克劳修斯注意到。卡诺在书中提到热是一种无重量的物质,叫做“热质”(注:热质是一种假想的流质,物体吸收热质后温度就会升高。热质可以到处流动,从高温物体流到低温物体。卡诺在后期自己也否定了热质学说),但克劳修斯知道热实际上与分子或原子运动的速率有关。于是他修正了卡诺的观点,引入了一个表示无序度的量,他称之为“”。无序度越高,熵值就越高。想象你有一个热的盒子,里面充斥着高速运动的粒子;还有一个冷的盒子,里面是缓慢运动的粒子。这样的分配是有序的,因而是低熵的,因为速率和能量接近的粒子都被放在了一起。但克劳修斯说,这个宇宙不喜欢低熵的状态。所以如果你打开这两个盒子并把它们放到一起,里面的粒子就会自动混合。这将他引向了第二定律:一个封闭系统的熵值会自然增长,除非你对系统做功来终止这种趋势。

跟随这两条定律的逻辑,你应该能想到哪些事情在宇宙中绝不可能发生。天体物理学家亚瑟·爱丁顿曾说:“如果你发现你的理论违反了热力学第二定律,那你就不要指望什么了。你的理论只能让你陷入最深的羞耻。”

那我的那台机器的设想呢?它看上去就像从天上掉馅饼一样不靠谱。实际上,已经有过关于能打破热力学规律的机器的设想了——我们称之为永动机,而且我们知道,这是科学江湖骗子的代名词。但我走廊尽头的那台机器并不是如此。它钻了一个神秘却合理的空子:量子物理

热力学诞生于量子物理之前;实际上,热力学还催生了量子物理。1900年,德国物理学家马克斯·普朗克正在研究一种叫黑体的假想物体的性质。黑体能够吸收所有落在它表面的辐射,然后释放出来。当时最杰出的物理学家们都认为能量是无限可分的,当辐射频率较大时,根据计算,黑体会辐射出无穷大的能量。这明显是不可能的。普朗克解决了这个问题。他提出,能量可以被分成一个个不可分的基础能量单位,他称之为量子。

这一飞跃解决了许多棘手的物理问题。但当我们开始研究粒子在量子物理“剧本”下的表现时,我们发现它们表现出一些非同寻常的特性。一个最有名的例子就是量子纠缠:当两个微观粒子纠缠到一起时,改变其中一个粒子的同时能够改变另一个粒子的特性。还有一个有名的例子,就是量子态叠加:一个原子可以同时处于低能和高能状态。

这些行为几乎打破了所有惯常的经典力学规则。我们有任何理由相信热力学就不会被打破吗?直到五年前我们才有条件去探索这些问题。就拿托比亚斯·舍茨在德国弗赖堡高等研究院的研究来说,2016年,他提出了一个实验:给晶体中的离子施加一些能量,然后观察它们如何冷却。结果是这些离子并没有像咖啡那样逐渐冷却,它们的能量在下降一段时间后,又突然迅速回升。这证明了我们一直以来的猜测:经典热力学的规则在量子世界中并不一直成立。

不幸的是,我们现在还不太清楚这背后的原理是什么,因为在量子世界里还没有能对应诸如“热”、“熵”等这些热力学名词的概念。归根结底,这些热力学概念概括的是成千上万个粒子的相对运动,而量子力学的研究对象往往是一两个微观粒子。描述系统状态的名词怎么和研究一两个粒子的概念相对应呢?

但无论如何,我还是要造一台量子热机。它可能和卡诺熟悉的那台热机不同,但它们的原理是一样的。它的基本工作方式是,用光照射一堆有机分子,将它们激发到高能态。然后这堆分子会自发失去一些能量,这些能量会以光的形式重新释放出来。

然后是关键的部分:如果我们的实验操作都正确的话,从这堆分子中释放出来的光是混在一起的,我们无法得知哪部分光来自哪个分子。根据量子理论,这意味着这堆分子一定处于纠缠态:当一个分子以光的形式释放出部分能量时,其他的分子也自动放出同等能量。这个同步放出辐射的效应叫做超辐射(superradiance)。我认为量子热机也会有一定的能量损耗,像两百年前卡诺所提出的那样。但由于这种超辐射效应,能量传播的速度应该会快很多,使得这台量子热机比经典热机效率更高。

去年我和我的两个同事特里斯坦·法罗以及罗伯特·泰勒一起完成了一个分子没有纠缠的对照组实验。但就当我们要开始完成那个有趣的部分的时候,我们被挖走了。

2017年10月,我在牛津的同事伊恩·沃姆斯利和他的团队完成了一个与我们的预想类似的实验。但他们没有用有机分子,而是用了被限制在一种特制的钻石腔内的原子。这些原子没有处于纠缠态,但处于低能态和高能态的叠加态。可以肯定的是,沃姆斯利和他的团队观察到的光的产生速度比经典热力学理论所预测的更快。

这背后的原因现在还不太清楚。而且不得不承认,实验结果超出经典预测的部分非常微小,也不具备实际应用价值。但重要的是,我们找到了量子热机能够打破经典热力学铁律的证据。

从量子冰箱到量子电池

想到这个机器以后还会得到改进,我已经迫不及待得想看到量子热机的未来了。最先把我引到这个领域的,是我在量子计算机方面的研究。量子计算机通过操纵量子比特,能够破解任何复杂棘手的计算,关于这种未来机械的讨论已经有很多了。但要让量子计算机能正常运作,就得把它的硬件冷却到极低的温度,这需要极大的能量。

沃姆斯利的量子热机的衍生品或许能起到作用。毕竟一台热机把热能直接转化为功,就像蒸汽推动活塞那样。如果我们把这个过程反过来,我们也可以直接做功把热能给“泵”走。量子冰箱可以完成这个任务。新加坡国立大学的格列布·马斯连尼科夫和他的同事们已经在进行量子冰箱的实验了,目前来看,成果很可能会比经典概念的冰箱高效很多。

这个成果不仅惠及量子计算机。如果我们想要造出迷你电路,一个最大的困难就是电路元件距离太近时产生的过热问题。更高效的制冷正是我们所需的。

如果你觉得量子冰箱听上去很便利,那么允许我向你介绍一下量子电池。我之前的一个学生,菲利克斯·宾得,现在在新加坡南洋理工大学,已经证明了量子电池的充电速度比普通的电池快许多。

量子电池不像普通电池一样通过离子移动来充电。这些电池包含许多小的电子比特,像计算机的比特一样,这些电位可以是1(带电)或0(不带电)的状态。在经典热力学的框架下,给电池充电所需的能量与电子比特的数量呈正比关系。但宾得证明了,如果我们使用处于纠缠态的量子比特来代替这些电子比特,充满电池所需的能量就只是量子比特数量的平方根。这意味着充满一个1000比特的经典电池的时间,可以充满一个一百万比特的量子电池。意大利技术研究院的维托里奥·帕列格里尼就是致力于在几年之内研制出如此超级电池的学者之一。

那个最不整洁的房间

但我们不应该认为量子热力学的成果就只有一些高端的小玩意儿。它也触及到了最本质的问题:生与死。地球上的生物不断地与热力学第二定律做着抗争,从周围环境里吸收能量来维持自己细胞内的秩序。为生物活动提供能量的就是我们身体里的小小热机:线粒体。这就产生了令人迷惑的问题:由于自然选择总是偏爱更高效的一方,生物本身有没有可能进化出了量子热机呢?关于量子效应在生物过程中是否重要的辩论十分火热,但在我看来,进化能产生最高效的生物引擎这个想法本身并不算疯狂。

甚至连时间的流逝这件事都可能被量子热力学改写。没有任何物理定律告诉我们为什么时间只能向前走——除了热力学第二定律。熵只能不断增长,这使得很多物理学家怀疑时间是熵变化的产物。

从经典角度来讲,熵增论很直观且容易理解。举个例子,根据经典热力学,宇宙的无序度至少要达到它的任一部分的无序度。就好比一座房子,我们用把这座房子收拾干净所需要的力气来表示它有多乱,那这座房子整体混乱的程度,不可能比其中最乱的那个房间还低。

但如果宇宙遵循量子热力学的原则,那这个图景就大不相同了。的确,我们不知道这个宇宙具体是什么样子,但我们的确知道,根据量子物理的公式,这个宇宙整体的无序度应该是保持不变的。还有,由于量子的不确定原理,我们无法得知关于宇宙某一部分状态的全部信息,这意味着宇宙的某些部分无序度甚至可能比宇宙整体的无序度还高。

这或许意味着如果你从整个宇宙的角度来看,熵是不变的,所以根本没有时间流动。但当你观察宇宙的某一部分,熵值产生变化,于是时间开始流动。由于宇宙各处不用随时保持一致,甚至宇宙不同部分的时间流向也可能不同。

只有仔细探究量子热力学,我们才能知道这些猜想正确与否,这也正是量子热机如此有趣的原因。

原文链接:

https://www.newscientist.com/article/mg23731720-400-im-building-a-machine-that-breaks-the-rules-of-reality/

 

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