1824 年，當法國工程師薩迪·卡諾計算熱機的最大效率時，他根本不知道什麼是熱。 當時，物理學家認為熱是一種稱為熱的流體。 但後來被譽為建立熱力學第二定律先驅的卡諾並不需要知道這些細節，因為熱力學對微觀細節不敏感。 熱量從熱流向冷，無論它是由流體組成，還是由數萬億個分子的集體運動組成。 熱力學，即控制能量及其做功有用性的定律和方程，只關注大局。
這是一個成功的方法。 正如熱力學所要求的，能量總是守恆的（第一定律），當它從熱流向冷時，它可以做功，但受到無序或熵的產生的限制（第二定律）。 這些法律規定了從汽車引擎每加侖行駛的英里數到智慧型手機電池壽命的一切。 它們幫助物理學家更好地理解黑洞以及為什麼時間向前而不是向後移動（SN：2015 年 7 月 25 日，第 14 頁 15）。
然而，考慮森林而不是樹木的大局觀方法讓物理學家懷疑熱力學是否在所有尺度上都成立。 如果引擎由三個分子而不是典型的萬億分子組成，它會起作用嗎？ 在非常小的領域，受量子力學的古怪規則支配，也許熱力學程式碼就沒那麼嚴格。
“熱力學是為大事物而設計的，” 英國埃克塞特大學理論物理學家珍妮特·安德斯說。 “我們還沒有真正將熱力學與量子力學結合起來。”
在過去的幾十年裡，物理學家逐漸在量子層面上探索熱流，對發現違反熱力學的可能性感到好奇？ 第二定律。 到目前為止，第二定律仍然有效。 但新的精密實驗技術使物理學家能夠更全面地探索熱力學的量子基礎。 為了測試理論家設定的極限，研究人員正在建造微型發動機，其中一些由單個原子提供動力，並測量這些設備？ 微弱的魅力。
即使物理學家無法打破熱力學規則，最近的證據也提出了改變它們的方法。 特別是利用量子糾纏將一些粒子的命運編織在一起的方式。 例如，用於處理量子資訊的技術可能有助於從微型引擎中擠出額外的能量。 這些經驗教訓可以幫助科學家建造奈米機器來收集熱量並利用它在體內輸送藥物，或幫助減少傳統電腦微小組件的能量損失。
量子引擎
這項工作未來的任何實際應用都將取決於對基本熱力學原理如何在超小尺度下運作的理解。
倫敦大學學院量子理論物理學家喬納森·奧本海姆說，這可以追溯到統計學。 如果蒸汽機中的萬億氣體分子可以用那麼多硬幣來表示，那麼翻轉所有這些硬幣的結果將是正面和反面的均勻混合物，相當於穩定的溫度和最大熵。 這就是為什麼蒸汽機總是遵守規則。 但是，在一個微型量子引擎內翻轉三個迷你硬幣，所有三個迷你硬幣都可以輕鬆落在頭上，就好像所有快速分子都留在一個隔間中而不是與另一個隔間混合？ 違反第二定律。
多年來的實驗表明，如果熱力學第二定律確實在小尺度上失效，那麼違反的程度並不是很嚴重。 去年，奧本海姆和同事變得更加具體，在《美國國家科學院院刊。 他們的結果表明第二定律不只在量子尺度上實際上成立，也要求更高。
奧本海姆的團隊並沒有直接分析熵，而是研究了系統有多少能量可以用來做功，這個量稱為自由能。 在我們的宏觀世界中，自由能的量只取決於系統的溫度和熵。 但透過放大越來越小的粒子集合，研究人員發現他們必須考慮更多種類的自由能。 隨著時間的推移，它們中的每一個都會減少。 換句話說，第二定律要求在量子層面遵守更多規則。
最近的實驗已經清楚地表明，任何規模的規避第二定律的嘗試都是注定要失敗的。 12月31日物理評論快報芬蘭阿爾託大學物理學家 Jonne Koski 及其同事創建了實驗室等效項操縱熱量的「惡魔」？ 1867 年，蘇格蘭物理學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋 (James Clerk Maxwell) 提出了這個概念。
微小的失敗
試圖違反熱力學的麥克斯韋妖？ 一項新的實驗表明，第二定律將快分子（藍色）與慢分子（綠色）分開以避免平衡（左），在量子層面上將不可避免地失敗。
麥克斯韋想知道一個假設的微觀實體是否可以追蹤在兩個相鄰容器周圍掠過的粒子，從而將快速移動的粒子與緩慢移動的粒子分開。 惡魔的行為將使系統的總熵最小化，這違反了熱力學第二定律，並產生了可以用來免費做功的溫差。
科斯基的團隊建造了一種惡魔裝置，可以剝奪電子電路的熱量，從而剝奪其熵。 惡魔完成了它的工作：參觀實驗室觀察實驗的參觀者會認為電路違反了第二定律。 但研究人員也注意到，惡魔為其違法行為付出了代價。 當它進行骯髒的行為時，惡魔本身就變得發熱。 電路和惡魔的總熵實際上增加了，正如第二定律所要求的（SN 線上：2015 年 12 月 1 日）。
科斯基的電子惡魔失敗了，因為它依賴單一粒子的資訊。 資訊和熱力學之間的關聯可以追溯到1929 年。 ）來執行任務的藍圖。 西拉德的工作表明，在物理學中，信息不僅僅是股票報價或棒球運動員的擊球率？ 這是物理的。
三十多年後，IBM 物理學家羅爾夫·蘭道爾 (Rolf Landauer) 表明，西拉德的方法是有代價的。 蘭道爾說，麥克斯韋妖可能會利用它對一個粒子的知識，但當它從有限的記憶中清除資訊並將注意力轉向下一個粒子時，它必須耗盡它所獲得的能量。 刪除資訊會消耗能量。 這就是為什麼複雜的惡魔迴路未能規避第二定律。
資訊對於理解熱力學顯然很重要，對於理解量子力學中陌生的部分也至關重要。 微小的物質基本上可以同時存在於兩個地方，這種現象稱為疊加。 兩個或多個粒子可以糾纏成所謂的糾纏態，將粒子錯綜複雜地連結起來？ 屬性與它們之間的距離無關。
許多物理學家正在嘗試利用疊加、量子糾纏和其他量子技巧來執行在經典物理規則下不可能的資訊量大的任務。 研究人員設想超安全的通訊網路和量子電腦可以利用糾纏的光子或離子輕鬆解決複雜的問題（SN：2010 年 11 月 20 日，第 11 頁 22）。
但資訊不僅僅意味著交換和處理 1 和 0。 因此，思考量子計算和通訊的物理學家將注意力轉向了熱力學。 他們已經開始詢問諸如糾纏之類的特性是否也可以在將熱量轉化為功方面提供優勢。
2015年10月、12月物理評論X，一個歐洲團隊證明了一個由多個糾纏粒子組成的系統儲存更多可用能量與沒有量子連接的相同粒子相比。 隨著粒子數量的增加，這種優勢很快就會消失，歸結為資訊是一種資源。 糾纏粒子本質上是免費提供資訊的，因為了解一個粒子的一些資訊可以揭示有關其糾纏夥伴的一些資訊（SN：2016 年 1 月 9 日，第 1 頁 9）。
研究合著者馬庫斯·胡貝爾（Marcus Huber）表示，儘管熱力學第二定律仍然有效，但利用量子效應資訊的能力「也可以幫助你做一些傳統方法無法做到的事情」。
資訊優勢
以折扣價獲取資訊可能會使技術超越第二定律並超越最好的真人大小的引擎。 “我們所希望的是機器運行得更快，冰箱變得更涼爽，或者電池儲存更多或充電更快，” 日內瓦大學量子資訊理論家胡貝爾說。
胡貝爾將眼前的挑戰比喻為一場遊戲，就像 19 世紀卡諾玩的遊戲一樣。 卡諾本質上是轉動旋鈕來控制溫度和壓力等變量，直到他從蒸汽機中擠出最大效率。 今天的物理學家有不同的目標嗎？ 也許創造微型冰箱將他們的儀器冷卻到深不可測的低溫。 為了實現這些目標，物理學家計劃轉動糾纏等變量，看看會發生什麼。
很快，科學家就可以開始在實驗室中使用利用量子效應的引擎來玩這些遊戲。 德國研究人員在十月朝這一目標邁出了一步，建造了一個由單個原子組成的熱機。 美因茨大學的量子物理學家 Johannes Roßnagel 和同事在鈣離子周圍建造了一個錐形外殼。 在使用雷射和電場將離子加熱到絕對零以上約一度後，研究人員測量了離子向錐體頂部施加微妙推動力時所做的功。
故事在下圖繼續
令人難以置信的縮小引擎
典型的引擎（左）使用熱量來驅動渦輪機或執行其他任務。 將引擎的尺寸減小到足夠大，它就可以驅動單個原子（右側，綠點）振動並做少量的工作。
奈米發動機正如熱力學定律所說的那樣研究人員在 arXiv.org 線上發布的一篇論文中報告說。 羅斯納格爾說，根據離子的微小重量進行調整，其功率與汽車引擎的功率相當。 “看到可以用單個原子驅動熱機，這非常有趣，” 他說。
儘管單離子引擎的功率輸出可測量，但羅斯納格爾警告說，奈米級引擎的實際應用最多還需要幾十年的時間。 相反，量子熱力學的實用性可能會在其他技術的掩護下發生。
一些研究人員將目光投向了價值數十億美元的電腦晶片產業。 為了製造更快的計算機，工程師們不斷縮小電晶體的尺寸，以將越來越多的電晶體封裝到晶片上。 電晶體有的只有幾十奈米寬，容易洩漏電子並發熱。 這些熱量會破壞電腦的能源效率並損壞組件。 量子熱力學可以幫助物理學家學習減少廢熱的技巧，甚至可以用電腦內部的小型設備收集廢熱。
對於尋求建構實用量子電腦的物理學家來說，熱管理更為重要。 這種設備需要在極低的溫度下運行，以利用量子效應並有可能超越傳統電腦。
接下來，羅斯納格爾和他的同事們計劃冷卻他們的單個原子，直到它能夠維持微妙的量子態，包括疊加和糾纏。 這樣的實驗將檢驗胡貝爾的理論結果，並揭示調整這些「量子性」的潛力。 旋鈕以更好地利用熱量來完成工作。
物理學界的一些反對者表示，這樣的實驗最終可能違反備受推崇的熱力學第二定律。 但不要打賭。 20 世紀早期的英國天文物理學家阿瑟·愛丁頓 (Arthur Eddington) 的預測仍然很精彩，即任何試圖違背熱力學第二定律的理論都將「在最深的恥辱中崩潰」。 但他沒有說要稍微移動一下球門柱。
本文發表於 2016 年 3 月 19 日刊，標題為「熱定律變小：物理學家探索量子領域的熱力學」。
