@ 2016.11.03 , 18:00
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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。

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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。

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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。

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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。


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TOTAL COMMENTS: 44+1

  1. 你来打我呀
    @11 months ago
    3298202

    每个字都看得懂系列文章

    [67] XX [1] 回复 [0]
  2. 3298203

    感觉好感动啊,可供人类挥霍的能量又有可能增加了

    [22] XX [3] 回复 [0]
  3. 仙仁长
    @11 months ago
    3298205

    这大概是我见过的最妖娆的麦克斯韦妖

    [120] XX [0] 回复 [0]
  4. 仙仁长
    @11 months ago
    3298206

    这大概是我见过的最妖娆的麦克斯韦妖

    [10] XX [0] 回复 [0]
  5. 3298207

    赌五毛标题党

    [12] XX [3] 回复 [0]
  6. 3298208

    能源大革命,火星种田指日可待

  7. 3298209

    只从译文来看的话,如果只是局部暂时熵减似乎和违背第二定律没什么冲突啊。

    [68] XX [3] 回复 [0]
  8. 3298210

    说错了。。似乎没有违背第二定律啊。

    [14] XX [1] 回复 [0]
  9. 吃油在线
    @11 months ago
    3298211

    Σ( ° △ °|||)︴一定是图中的logo造成的

  10. BiuBiuBiu
    @11 months ago
    3298213

    到了微观层次 很多物理学定律 都出现了问题啊

    [16] XX [0] 回复 [0]
  11. 3298214

    傻逼标题党,我再努力练习一下炮兵技术,马上就能打破你妈处女膜了。

    [6] XX [70] 回复 [0]
  12. 3298215

    铁士代诺博士,您可以瞑目了

  13. 3298220

    有点标题党了喂

  14. 我先不杀你
    @11 months ago
    3298222

    …面神何时禁止过瞬态随机的熵减了?

    [13] XX [0] 回复 [0]
  15. 3298225

    @xiji: 如果局部熵减同时其他地方没有变化,就违背了

  16. 3298226

    这个弱爆了,百度民科吧里面破解了此定理并且开始实际应用的也有数百人了,只可惜国内科学体系腐败排挤,这些天才们仍然被埋没~~~~~~~~

    [106] XX [20] 回复 [0]
  17. 3298230

    毛子领导的火焰实验室…

  18. 3298232

    我硬了

  19. 3298235

    魅魔电子么?

  20. 3298236

    这个不是冰箱么?

  21. Campanella
    @11 months ago
    3298237

    薛定谔的猫~
    麦克斯韦的妖~
    物理学家都自带召唤兽啊~

    [27] XX [0] 回复 [0]
  22. 凤凰福克斯
    @11 months ago
    3298243

    这个 妖 不需要能量么?

  23. 3298265

    左脚踩右脚轻功终于有可能重现江湖了。

    [11] XX [0] 回复 [0]
  24. 哈佛教授
    @11 months ago
    3298269

    @倦了: 没想到还有人记得这个梗

  25. 3298280

    量子力学里面出现什么都不奇怪,因为都是暂时的。有借必然有还,最后都会还回去的。

  26. 歪星人
    @11 months ago
    3298319

    製造第二類永動機有希望了。

  27. 梦游的肥皂泡
    @11 months ago
    3298326

    可是第二热力学定律是什么?

  28. 3298360

    整天或许打破, 物理学老前辈的棺材板我一个人快要压不住了

  29. 3298372

    没理解和统计涨落实质上的区别是什么

  30. 3298410

    没有实际的意义,熵本来就是一个集合的状态,当其中量子足够少的时候,熵的变化肯定也会不规律呀,但是能量永远是守恒的,,,

  31. 3298413

    信息也是熵的一部分啊,这妖娆的妖精甄别粒子速度的时候相当于在往系统里输入信息,整个系统都不封闭了

  32. 柳道道
    @11 months ago
    3298415

    麦克斯韦妖最神奇的一点在于推导出了“信息是具有能量的”因为只要信息正确,就有办法把快速的粒子和慢速的粒子分开,从而使得宇宙(不包括信息能的)总熵降低

  33. 武昌鱼
    @11 months ago
    3298469

    考虑量子隧道效应的话,热力学第一定律都可以不守恒,更加不用说热力学第二定律了

  34. 3298483

    @哈佛教授: 火星大王向您致以诚挚的问候

  35. 塞北耕夫
    @11 months ago
    3298504

    热力学定律是统计定律,不是单分子定律。
    拿单子套热力学,扯淡呢。

  36. 3298505

    我也没理解这和传统的麦克斯韦妖有什么区别

  37. d c do g
    @11 months ago
    3298593

    @1: 哈哈哈,哥们黑的好

  38. 3298661

    麦克斯韦妖超骚~

  39. 3298662

    麦克斯韦妖超骚~

  40. 3298751

    maxwell demon consumes energy, hence 2nd law holds.

  41. kayeceee
    @11 months ago
    3298782

    熵减少的原因不是因为丘比么

  42. 为图灵报仇
    @11 months ago
    3298952

    每次都不将重要的图转过来,剪蛋这类文章就只告诉你是有这回事,具体情况要看原文的连接。

  43. 又发散了
    @11 months ago
    3299162

    那啥,热二本来就是个统计性的定律啊……

  44. 3303092

    魔法世纪来了。

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