@ 2016.11.03 , 18:00

物理学家们或已打破热力学第二定律

热力学定律是现代物理中最重要的基本原则,因为它们定义了温度、能量和熵这三种基础物理量在各种环境下的表现。

[-]

但现在物理学家们表示他们找到了其中一条定律的漏洞,它会导致熵随着时间减少。

感谢现代物理,基本上宇宙中的每件事都可以用这两个理论来解释:恒星、星系和宇宙本身等较大的物体可以采用广义相对论;而量子力学则可以解释原子标度的行为。

在这两个框架内,我们有四条热力学定律,它们描述了热能转变为各种不同能量和从各种不同能量转化而来的方式,以及这些转化对各种形式的物质带来的影响。

基本上,如果你想知道能量如何在一个系统内转移,比如从原子转移到黑洞,那么你就会需要这些定律。

目前最令我们感兴趣的是热力学第二定律,其具体表述为不可能把热从低温物体传到高温物体而不产生其他影响,或不可能从单一热源取热使之完全转换为有用的功而不产生其他影响,或不可逆热力过程中熵(封闭或者鼓励体系内随机性或无序性的度量)的微增量总是大于零。

正如Alok Jha在《卫报》中解释的那样,热力学第二定律的意义可能比热力学第一定律的意义还要深远,第一定律描述了我们的宇宙能做的事情有限。(热力学第一定律:热量可以从一个物体传递到另一个物体,也可以与机械能或其他能量互相转换,但是在转换过程中,能量的总值保持不变)它给了我们一个时间箭头,告诉我们宇宙终将不可避免地变得荒凉。

但如果情况并非如此呢?如果你能够创造出一个熵值减少的系统呢?比如鸡蛋能够还原它自己?

美国能源部阿贡国家实验室的研究人员们表示他们也许发现了热力学第二定律的漏洞,不过是从微观层面上来看的,并且它转瞬即逝。

[-]
英国物理学家麦克斯韦

他们研究了支持热力学第二定律的统计概念——H定理。它指的是如果你打开一冷一热两个房间中间的门,那么它们最终都会稳定在不冷不热的平衡状态。

由于物理学家们不可能描绘出单个分子在这一场景下的移动,因此他们只能以团体为单位来研究分子,而非个体。

为了了解在实际情况下H定理描述的单个分子行为,阿贡实验室团队决定在量子范围内研究它。

他们将量子信息论应用到凝聚态物理学中,提出了新的量子H定理模型。

研究员Ivan Sadovskyy表示:“这使得我们能够制定量子H定理。它让记录详尽的量子物理过程与构成量子信息论的量子理论通道之间建立了联系。”

研究人员们称在他们的新量子H定理模型中,会出现熵值暂时减少的情况。他们将研究结果比作与麦克斯韦妖(在物理学中,假想的能探测并控制单个分子运动的“类人妖”或功能相同的机制,是1871年由19世纪英国物理学家麦克斯韦为了说明违反热力学第二定律的可能性而设想的)。

麦克斯韦提出如果在两间不冷不热的房间之间的房门处,坐着一只很小的量子妖,并且它只让粒子以特定速度通过,那么它就能有效地控制温度的流动,让一间房变暖而另外一间变冷。

[-]

阿贡实验室团队进一步提出了一种数学模型,展现某个量子系统临时出现熵值负增长的情况,即熵值降低的情况。

研究员Valerii Vinokur说道:“虽然这种违例情况只出现在了局限范围内,但它带来的影响却很深远。它给我们带来了实现量子麦克斯韦妖的平台,让局部量子永动机成为可能。”

这个话题备受瞩目和争议,研究人员们希望扩大他们的团队,并根据他们的量子H定理模型设计一个概念验证系统。

我们将对此拭目以待。该研究已被发表在Scientific Reports上。

本文译自 ScienceAlert,由译者 肌肉桃 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


给这篇稿打赏,让译者更有动力 !
支付宝打赏 [x]
您的大名: 打赏金额:

4.4
赞一个 (14)

24H最赞