定律和无序—量子热力学？

定律和无序—量子热力学？

laws and disorder

新的一期NewScientist上一篇挺有趣的文章 “laws and disorder” 。作者是英国牛津大学的V. Vedral教授。大概是说可以通过量子效应突破热力学的极限从而建造更加有效率更加强大的引擎和机器。并且进入一个物理学的新的领域：量子热力学！很有可能量子热力学将会开启又一次科技革命。
我比较感兴趣的地方是，热力学原理会不会对量子力学原理有一些限制，还有就是如果真的考虑量子力学的效应，那么新的热力学的极限在哪里？

我比较喜欢的一个热力学的例子是魔术师的兔子。是说如果魔术师要凭空变出一直兔子，他需要输入多少能量？首先根据爱因斯坦的E=mc^2的质量能量转化的公式，他先是要付出与兔子质量相当的能量。但是还不够，如果我们假定周围大气压是恒定的，那么在兔子被创造出过程中，创造出来的兔子要占据一定的体积，等量的体积的空气就会被挤到周围，所以魔术师还要付出把空气挤到周围所需要的额外的功。这就是一个热力学的极限：你总是要比理想预期多做一些功或多输入一些能量。聪明的你可能会想，如果魔术师是在真空中变出兔子呢？如果你相信热力学限制，你就会得出一个结论，真正什么都没有的空间不存在，也就是真空不空。
这个问题也可以反过来想，就是你不能从一个系统拿来的能量全部用来做功。总要有一些消耗。最有效率的机器就是大家可能知道的卡诺机或是卡诺引擎。这里也有一个类似的可能，就是如果存在绝对0度，那么就可以无消耗。同样的如果你相信热力学，就可以得出结论绝对零度不存在。其实量子力学的不确定原理就确定了不可能存在绝对的真空和绝对零度。

量子力学能违反热力学原理吗？文章中提到一个2016年在德国做的一个实验。是说他们关注晶体里面一些高能量的离子，观察这些“热”离子的冷却过程，然后他们发现，这些离子的能量先是像正常一样的降低，但是到了一定程度就会反弹升高！我们相信是量子力学在这里起到了作用，但是准确理论或是模型似乎还很难找到。
另外一个量子力学现象可以打破热力学极限的是超辐射(superradiation)。能量传递的一种新式是辐射，我们可以想象处在高能量态分子或跃迁到低能态同时释放出光子也就是热辐射。每个分子跃迁都是随机的，但是如果有两个分子是纠缠在一起的，那么如果你观察到一个分子辐射，那么波函数就会塌缩在两个分子都辐射的状态。结果就是量子纠缠会提高辐射的速率！从而提高能量传递的效率。这个现象在去年2017年10月份在牛津大学的物理学家观察到。的的确确，量子力学就在我们眼前打破了热力学限制！

还有一篇量子热力学的文章刚刚更新在QuantaMagzine上的。大概是说量子热力学可以违反熵增原理。