量子热力学:一场全新的革命
前沿探索

量子热力学:一场全新的革命

在量子世界中重新定义热力学定律

2017-05-19 12:34:54


时年 28 岁的法国工程师萨迪·卡诺在他 1824 年出版的《论火的动力》一书中提出了一个公式,来说明蒸汽机如何有效地将热能转化为动能。卡诺认为,理想热机的效率取决于发动机的热源(指火焰)与散热器(指外部空气)之间的温差。动能只是热量传递时的副产品,因为热量会自然而然地从温度高的地方转移到温度低的地方。

八年后,卡诺死于霍乱,但他提出的理论为 19 世纪热力学发展成为一门独立的理论奠定了坚实的基础,热力学定律是一套关于温度、热量、做功、动能和熵之间相互作用规律的理论,可以衡量能量之间相互转换的规律。热力学定律不仅适用于蒸汽机,还适用于一切事物:太阳、黑洞、生物甚至是整个宇宙。这个理论非常简单且一目了然,连爱因斯坦都表示热力学定律“永远不可能被推翻”。

其实,自热力学定律诞生之初,它在自然理论中就拥有着奇特的地位。

去年,物理学家 Lídia del Rio 在发布于《物理学杂志 A 刊》的论文写道:“如果物理学理论是人,那么热力学定律就是一位女巫,很多人认为她有些奇怪,都想在她身上发现点什么,但没有人敢和她起正面冲突。”

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不同于粒子物理学的标准模型试图找到真正存在的东西,热力学定律只说明了什么是可以实现的而什么是不能实现的。但是,这个理论最奇怪的事情之一就是这些规则都是主观的。例如,现在有个盒子里面充满了某种气体,由于没有由外力对这团常温气体进行加热或冷却,所以它看起来好像是一团各部分温度都一样的气体,因此这盒气体无法做功。但通过更加仔细的检测,发现了这盒气体实际上存在可利用的细小温差。正如十九世纪物理学家麦克斯韦尔所说的那样:“我们对能量消耗的理解取决于我们自身的知识程度。”

近年来,出现了对热力学定律的革命性理解,人们试着用量子信息理论来解释这个主观性的定律,量子热力学就像物理理论世界里的新生儿一样,就这样诞生了。正如 Lídia del Rio 在论文中表示的,量子热力学理论描述了量子系统模式下的信息传播。热力学定律最初被用来改进蒸汽机,而现在有两个热力学家正在使用这个新的理论研究量子计算机的运作。在去年,收缩技术,离子发动机和原子冷冻机都已经实验成功,这迫使物理学家们将热力学定律扩展到量子领域,如此一来,热能和动能这样的概念就失去了它们原本具有的意义,因为经典物理理论在量子世界并不适用。

在量子热力学这个新领域,科学家们发现了新的量子版本的热力学定律,在量子世界重新定义热力学定律,这导致科学家需要重铸经典物理里热力学的最基本概念,以揭示能量与信息之间深刻又奇特的关系——抽象的 1s 和 0s 会通过其物理状态和我们所掌握的知识被清楚地区分开来。某种意义上,量子热力学领域是繁荣与混乱的典型组合。

量子热力学领域的领导者之一,布里斯托大学物理学家 Sandu Popescu 说,“我们正在勇敢探索热力学领域的新世界, 虽然经典物理学里的热力学定律非常完美,但是在量子世界中,我们需要用一种全新的方式来看待它。”

熵的不确定性

1867 年,Maxwell 在给他的朋友 Peter Tait 写的一封信中描述了一个众所周知的悖论,这悖论也是他自己提出的,用来暗示来热力学和信息之间的联系。这个著名的悖论是关于热力学第二定律的,即“熵增定律”,亚瑟·爱丁顿爵士称这个悖论“在自然理论中占据最高的地位”。其表述为:不可逆热力过程中 的微增量总是大于零。宇宙中的熵会随着时间的流失而增加,热能自发的传递过程是不可逆的,当其他有效能量全部转化为热能后,就不存在其他可以做功的能量了。

伟大的奥地利物理学家 Ludwig Boltzmann 从统计意义上对热力学第二定律进行了阐释:一切自发过程,总是从概率小的状态向概率大的状态变化,从有序向无序变化。

但 Maxwell 在这封信中还描述了一个思想实验,这个思想实验被称为麦克斯韦妖,是为了说明违反热力学第二定律存在可能性而设想的。他设想一个 绝热 容器被分成相等的两格,中间是由“妖”控制的一扇小“门”,容器中的空气分子作无规则热运动时会向门上撞击,“门”可以选择性的将速度较快的分子放入一格,而较慢的分子放入另一格,这样,其中的一格就会比另外一格温度高,可以利用此温差,驱动 热机 做功。麦克斯韦妖其实就是 耗散结构 的一个雏形。

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麦克斯韦和其他物理学家想知道,一个人的认知范围和局限如何能决定一个自然规律的产生。如果热力学第二定律依赖于个人的主观认识,那么它存在的真实意义又是什么呢?

一个世纪之后,美国物理学家 Charles Bennett 在 Leo Szilard 和 Rolf Landauer 研究的理论基础上,通过将热力学和新兴的信息科学联系起来,解决了这个悖论。 Charles 认为精灵的知识信息是存储在储存器中的,而内存必须被清除,清除这些储存的信息是需要做功的(1961 年,Landauer 计算出,在室温下,计算机需要至少消耗 2.9 个能量来删除一个比特的存储信息)。换句话说,当这个精灵将气体分割成冷和热两个部分以降低气体的熵时,它的大脑消耗了能量并产生了足够的熵来补偿气体的熵,气体—精灵系统中整体的熵增加了,这符合热力学第二定律。

正如 Landauer 所说的那样,“信息是具有物理特征的,你拥有的信息越多,你能得到的能量就越多”。麦克斯韦妖能够从单一温度气体中榨取能量,因为它比一般人拥有更多的信息。

但是随着科学家们对量子计算领域的研究逐渐深入,半个世纪后量子信息理论才逐渐兴起。

在过去的十几年里,Popescu 和他的同事以及其他研究团队一直认为,由于粒子间信息的传递方式使得能量会自发地从高温物体传递到低温物体。根据量子理论,粒子的物理性质是具有概率性的,并不是像宏观物一样,在某一时刻具有确定的位置和状态,就像薛定谔的猫一样,可以处于既死又活的状态。当粒子相互作用时,会纠缠在一起,所以粒子的状态和位置都是用概率分布来描述的。量子理论的核心观点是信息,代表了粒子相悖的属性不会丢失。

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然而,随着时间的推移,粒子间的相互作用会产生纠缠态,关于它们各自状态和位置的信息将会扩散并被越来越多的其他粒子混合分享。Popescu 和他的同事认为,增加量子纠缠态的箭头指向预期中会增加的熵,这是时间热力学的箭头。一杯热咖啡变凉的过程,可以解释为咖啡分子与空气分子碰撞,编码能量的信息会被泄露出来并被周围的空气分子分享。

熵作为一种主观上的措施使宇宙整体不断发展但保证了信息不会丢失。即使是宇宙的一部分,例如咖啡、引擎和人类,随着量子信息的稀释,会经历熵升高的过程,但宇宙中熵的总量始终保持为零。

瑞士苏黎世大学教师 Renato Renner 将这种解释视为热力学定律的根本性转变。“十五年前,我们将熵视为热力学系统中的一个属性,但现在,在信息理论中,我们不会说熵是某个系统的一个属性,而是把它描述为在系统观察者观察下的一个属性。”

此外,Renner 还认为能量有两种形式,就是我们平时说的“无用的”热能和“有用的”动能,这两种能量的同时存在是蒸汽机运行的关键。Renner 说:“在新的方式中,能量就像是光,而我们所知道的部分关于能量的信息就像是光谱。用这种新观点解释,熵和热力学就不会显得那么晦涩难懂了,这也是人们总是喜欢新观点多于旧观点的原因。

热力学的对称性

去年七月份同时发表在《Nature Communications》的两篇文章指出,信息、能量和“守恒量”之间的关系可以被改变,但永远不会消失。这两篇文章是由 Bristol 的团队和乔森纳奥本海姆大学的研究团队发表的。这两个研究团队都设想出一种假设的量子系统,将信息看作是一种货币,用于不同物质资源之间的能量交易。

想像一下,有一个巨大的水库或储存空间,里面存在同时具备动量和角动量(粒子都在移动和旋转)的粒子。这个水库和一个同时需要动量来提升高度并且需要角动量来使自身旋转的转盘相连接。通常情况下,一个单独的水库是不能产生任何能量的,因为没有温度差。但研究人员发现,水库里包含的多个守恒量分别遵循不同的规则。Popescu 说:“如果有两个不同的物理守恒量,例如动量和角动量之间会出现一定量的转换,但是总体的能量守恒定律并没有改变。”

在这个假设的有重量的水库转盘系统中,转盘减速时,其重量会增加,重量减少时,转盘会转的更快。研究人员发现,描述粒子能量和自旋态的信息可以作为一种能够作为储存容器中动量和角动量进行交换的货币。守恒量可以交换能量在量子系统中是一个全新的的概念,这表明现有的热力学理论不够完整,它不仅要描述能量的流动,还要阐释宇宙中所有守恒量之间的相互作用。

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Oppenheim 说:“能量在热力学中占据着主导地位的事实可能并不够深刻”。如果有需要的话,卡诺和他理论的继任者们可能已经研究出一套热力学理论,通过调整角动量,配合他们的发动机原理。“我们周围存在着能量,我们想要使用这些能量,但我们并没有具有角动量的水库转盘,我们没有巨大的陀螺仪。”

Popescu 凭借自己对量子信息理论和量子基础领域的认识去年获得了狄拉克奖章, 在三月份中的几次电话交谈中他和同事讨论了一个新的思想实验,这个思想实验说明了信息与其他守恒量之间的区别,并表明了在自然界中对称性是如何将信息和守恒量分开的。

“假设你和我各自生活在相距很远的行星上,我想向你传递我所在的行星的方向,这在物理上是不可行的,我只能给你发送哈姆雷特的故事,但是我不能为你指明方向。” Popescu 说道。

Popescu 说,我们没有办法用一串纯粹的、无方向性的 1 和 0 来表示方向以寻找到彼此的星系,因为自然不会给我们提供普遍的参考框架。如果,它可以表示方向,那么就会违反宇宙的对称性。当宇宙中的运动具有对称性时,储水转盘就会转动地更快,并且角动量不守恒。20 世纪初的数学家艾美·诺特表示,每一个对称性的运动都遵循守恒定律:宇宙的旋转对称性反映出我们称之为角动量的守恒。 Popescu 的思想实验表明,不可能用与守恒定律相关的信息表达空间方向。

近年来,许多理论科学家已经相信时空和宇宙存在弯曲的结构,其内部的物质和能量可能是由纠缠态量子信息网络产生的全息图。“我们必须要小心,因为信息的行为与其他物理特征不同,就像时空一样。”

了解这些概念之间的逻辑联系也可以帮助科学家更好地认识黑洞,这是一种神秘的物质,会吞噬我们所知道的一切物质,包括各种辐射信息。 Popescu 说:“黑洞最值得研究的方面就是热力学。”在黑洞中讨论的热力学类型非常复杂,科学家正在研究一套全新的热力学定律。“重铸这些已知的理论是不可避免的,我们正在研发新的方法理论工具将我们带回到黑洞的研究中。”

告诉技术专家的事情

英国埃克赛特大学的量子信息学家 Janet Anders 采用技术驱动的方式来了解量子热力学。Anders 说:“如果我们继续研究这个领域,我们将会遇到没有相关的理论来解释现象的情况,问题是什么是在这个领域里什么是我们需要了解并能告诉技术专家的?”

2012 年,Anders 构想并联合其他人一起创办来一个致力于量子热力学研究的欧洲网络组织,现在有 300 名成员。她与这些成员希望能发现量子发动机和量子电冰箱中量子跃迁的规则,在将来这可以用于驱动或冷却计算机,或者用于太阳能电池板,生物工程和其他方面的应用。研究人员已经越来越了解什么样的量子引擎可以被造出来。2015 年,希伯来大学的 Raam Uzdin 和他的同事们计算出量子引擎可以超越古典引擎,这些量子发动机仍然遵循卡诺地效率公式,利用温度差产生能量。但是这些量子引擎会产生更多的能量,他们能更快地产生动能。《科学》杂志在 2016 年四月份的期刊中显示了由单个离子制成的发动机已经制造成功,虽然它并没有利用功率增强量子效应。

QuantaInline3-582x436Janet Anders(右下)

Popescu,Oppenheim,Renner 和他们的研究团队也在探求更具体的发现。Oppenheim 和他之前的学生 Lluis Masanes 在 3 月份发表了一篇文章,推导出了热力学第三定律。通过运用量子信息理论,他们证明出了 没有一个真正的系统能达到 0 开尔文 ,因为经过推导,他们得出达到绝对零度将需要无限的步骤。在 2015 年的一篇论文中,Oppenheim 和论文合著者提出,在量子世界中,经典物理中的热力学第二定律会被新的理论所取代,即如何定义粒子物理状态的分布概率,以及它们的动向,包括在量子引擎中的粒子。

随着量子热力学的迅速发展,物理学领域产生了一系列新的发现与研究方法,在一些经典物理学家的眼中,这些新发现相当具有颠覆性。德国奥格斯堡大学的评论家 Peter Hänggi 认为,信息的重要性被量子计算领域的先行者超卖了,单纯地把看作是宇宙对于一个巨大的量子信息处理器而并非物理领域的事物是错误的。他指责量子信息理论家混淆不同种类的熵、热力学理论和信息理论, 并在不适用的领域中使用后者。当被问及 Oppenheim 和他的研究团队关于新的热力学第二定律时,他说:“麦克斯韦妖让我变得神经质,这就是我血压升高的原因。”

当多数人认为 Hänggi 的想法过于老旧(量子信息理论学家研究了热力学和信息理论熵之间的联系)之时,有一些热力学物理学家则表示 Hänggi 提出了一些有用的观点。例如,当量子信息理论家提出量子引擎是否可以产生动能这种抽象的概念时,他们会回避如何从量子系统中提取动能的问题,因为测量产生的动能会破坏量子熟悉和位置的概率。最近,Anders 和她的合作者们已经开始着手研究用从量子中提取和储存动能来解决这个问题,虽然他们已经有点眉目了,但是手头上的资料实在是太过杂乱了。

新加坡国立大学量子信息理论和热力学家,同时也是量子冰箱实验报告团队成员之一的 Valerio Scarani 说:“这些令人兴奋的事情已经开始崭露头角了,虽然现在看起来还有点乱七八糟。而我们需要综合整理这些新的发现,弄清楚在什么情况下用什么观点理论来解释,而不是仅仅只专注于发现更新的理论。”

Oppenheim 和 Popescu 完全同意 Hänggi 的观点,目前物理界存在着一种淡化宇宙物理特征的风险。Oppenheim 说:“我对信息学家所说的“一切物质都是信息”这个观点持保留意见。”当蒸汽机开始对世界产生巨大影响的时候有人认为宇宙就是一台蒸汽机,实际上,现在的情况比当时要复杂的多,对我来说,量子热力学最吸引我的就是这两个基础的部分——能量和量子信息,这两个事物结合在一起得出的理论是如此的美丽。”

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