1824 年，法国工程师萨迪·卡诺计算出热机的最大效率时，他并不知道热是什么。当时，物理学家认为热是一种叫做热质的流体。但后来被誉为建立热力学第二定律的先驱的卡诺并不需要知道这些细节，因为热力学对微观细节不敏感。无论热是由流体组成，还是由数万亿个分子的集体运动组成，热都会从热流向冷。热力学是控制能量及其做功用途的定律和方程，它只关注大局。
这是一种成功的方法。正如热力学所要求的那样，能量总是守恒的（第一定律），当它从热流向冷流时，它可以做功，但受到无序或熵的产生限制（第二定律）。这些定律决定了一切，从汽车发动机每加仑行驶的英里数到智能手机的电池寿命。它们帮助物理学家更好地理解黑洞，以及为什么时间向前移动而不是向后移动（SN：7/25/15，第 15 页）。
然而，这种只顾全局、只顾树木的宏观方法让物理学家怀疑热力学是否适用于所有尺度。如果发动机由三个分子而不是典型的万亿分子组成，它会起作用吗？在由量子力学古怪规则支配的极小领域，热力学规则可能没有那么严格。
英国埃克塞特大学理论物理学家珍妮特·安德斯 (Janet Anders) 表示：“热力学是为大问题而设计的。我们还没有真正将热力学与量子力学结合起来。”
在过去的几十年里，物理学家们逐渐在量子层面探索热流，他们对发现违反热力学第二定律的可能性很感兴趣。到目前为止，第二定律仍然有效。但新的精密实验技术让物理学家能够更充分地探索热力学的量子基础。为了测试理论家设定的极限，研究人员正在建造微型发动机，其中一些由单个原子驱动，并测量这些设备微弱的动力。
即使物理学家无法打破热力学规则，最近的证据表明，有办法改变这些规则——尤其是利用量子纠缠将一些粒子的命运交织在一起的方式。例如，处理量子信息的技术可能有助于从微型发动机中榨取额外的能量。这些经验可以帮助科学家制造收集热量并利用热量在体内输送药物的纳米机器，或者帮助减少传统计算机微小部件的能量损失。
量子引擎
这项工作的任何未来实际应用都将取决于对基本热力学原理在超小尺度上如何运作的理解。
伦敦大学学院量子理论物理学家乔纳森·奥本海姆说，这又回到了统计学上。如果蒸汽机中的数万亿个气体分子由这么多硬币表示，那么抛出所有这些硬币的结果将是正面和反面的均匀混合，相当于稳定的温度和最大熵。这就是为什么蒸汽机总是遵循规则。但是，在一个微型量子引擎中抛出三枚迷你硬币，三枚硬币都很容易以正面朝上，就好像所有快速分子都留在一个隔间中，而不是与另一个隔间混合——这违反了第二定律。
多年来的实验表明，如果热力学第二定律在小尺度上确实失效，那么这种违反并不十分剧烈。去年，奥本海姆和同事们对此进行了更具体的分析，在《美国国家科学院院刊.他们的结果表明第二定律不仅在量子尺度上成立，也要求更高。
奥本海姆的团队并没有直接分析熵，而是研究了一个系统有多少能量可用于做功，这个量被称为自由能。在我们的宏观世界中，自由能的数量仅取决于系统的温度和熵。但通过放大越来越小的粒子集合，研究人员发现他们必须考虑更多种类的自由能。它们每一种都会随着时间的推移而减少。换句话说，第二定律要求在量子层面上遵守更多的规则。
最近的实验已经清楚地表明，任何规模的规避第二定律的尝试都注定会失败。在 12 月 31 日物理评论快报芬兰阿尔托大学物理学家 Jonne Koski 及其同事创建了实验室等效1867 年，苏格兰物理学家詹姆斯克拉克麦克斯韦 (James Clerk Maxwell) 创造了操控热量的“恶魔”。
微小的失败
一项新实验表明，麦克斯韦妖试图通过将快分子（蓝色）与慢分子（绿色）区分开来以避免达到平衡（左），从而违反热力学第二定律，但这在量子层面上必然会失败。
麦克斯韦想知道，一个假想的微观实体是否能追踪在两个相邻容器中飞舞的粒子，从而将快速移动的粒子与慢速移动的粒子区分开来。这个“恶魔”的行为将使系统的总熵最小化，这违反了第二定律，并产生了一个温差，可以利用这个温差来免费做功。
科斯基的团队制造了一个恶魔装置，它能使电子电路失去热量，从而也失去熵。恶魔完成了它的工作：来实验室观察实验的参观者会认为电路违反了第二定律。但研究人员还注意到，恶魔为自己的违规行为付出了代价。当它完成这项肮脏的工作时，恶魔本身也变热了。电路和恶魔的总熵实际上增加了，正如第二定律所要求的那样（SN 在线：12/1/15）。
科斯基的电子恶魔失败了，因为它依赖于单个粒子的信息。信息和热力学之间的联系可以追溯到 1929 年。当时，匈牙利物理学家利奥·西拉德深入研究了麦克斯韦的思想实验，并制定了利用粒子信息（例如它们的位置和速度）执行任务的蓝图。西拉德的工作表明，在物理学中，信息不仅仅是股票报价或棒球运动员的击球率——它是物理的。
三十多年后，IBM 物理学家罗尔夫·兰道尔 (Rolf Landauer) 表明，西拉德的方法是有代价的。兰道尔说，麦克斯韦妖可能利用其对一个粒子的了解，但当它从有限的记忆中清除该信息并将注意力转向下一个粒子时，它必须用尽它获得的能量。擦除信息需要消耗能量。这就是复杂的妖电路无法绕过第二定律的原因。
信息对于理解热力学显然很重要，对于理解量子力学中那些奇怪的部分也至关重要。微小的物质可以同时存在于两个地方，这种现象称为叠加。两个或多个粒子可以纠缠在一起，形成所谓的纠缠态，无论它们之间的距离有多远，它们的性质都紧密相连。
许多物理学家正试图利用叠加、量子纠缠和其他量子技巧来执行传统物理学规则下不可能完成的信息密集型任务。研究人员设想了超安全的通信网络和量子计算机，利用纠缠的光子或离子轻松解决复杂问题（SN：11/20/10，第 22 页）。
但信息的意义远不止交换和处理 1 和 0。因此，研究量子计算和通信的物理学家将注意力转向了热力学。他们开始思考纠缠等特性是否也能为将热量转化为功提供优势。
2015 年 10 月至 12 月物理评论X一个欧洲团队证明，一个由多个纠缠粒子组成的系统储存更多可用能量量子纠缠粒子比没有量子连接的粒子更容易被检测到。这种优势随着粒子数量的增加而迅速消失，归根结底是因为信息是一种资源。纠缠粒子本质上是免费提供信息的，因为了解一个粒子的信息可以揭示其纠缠伙伴的信息（SN：1/9/16，第 9 页）。
这项研究的共同作者马库斯·胡贝尔说，尽管第二定律仍然成立，但利用量子效应信息的能力“也能帮助你做一些传统方式无法做到的事情”。
信息优势
以低价获得信息可能使技术能够超越第二定律，并超越最好的真人大小的发动机。日内瓦大学量子信息理论家 Huber 说：“我们可以期待机器运行得更快，冰箱冷却得更冷，电池存储更多或充电速度更快。”
Huber 将面临的挑战比作玩游戏，就像 19 世纪的卡诺所玩的游戏一样。卡诺本质上是转动控制温度和压力等变量的拨盘，直到将蒸汽机的效率发挥到极致。如今的物理学家有不同的目标——或许是创造微型冰箱将仪器冷却到难以想象的低温。为了实现这一目标，物理学家们计划对纠缠等变量进行调整，看看会发生什么。
很快，科学家们就可以在实验室中利用量子效应引擎来玩这些游戏。德国研究人员于 10 月向这一目标迈出了一步，他们制造了一台由单个原子组成的热机。美因茨大学量子物理学家约翰内斯·罗斯纳格尔 (Johannes Roßnagel) 和同事在钙离子周围建造了一个锥形外壳。研究人员使用激光和电场将离子加热到绝对零度以上约 1 度后，测量了离子向锥体顶部施加微妙推力时所做的功。
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令人难以置信的缩小引擎
典型的发动机（左）利用热能来驱动涡轮机或执行其他任务。将发动机尺寸缩小到足够小，它就可以驱动单个原子（右，绿点）振动并做少量功。
纳米级发动机正如热力学定律所说的那样研究人员在 arXiv.org 上发表的一篇论文中报告称，考虑到离子的微小重量，其功率可与汽车发动机相媲美，Roßnagel 表示。“用一个原子就能驱动热机，这很有趣，”他说。
尽管单离子发动机的功率输出是可测量的，但罗斯纳格尔警告说，纳米尺寸发动机的实用化至少还需要几十年的时间。相反，量子热力学的实用性可能会在其他技术的推动下实现。
一些研究人员将目光投向了价值数十亿美元的计算机芯片行业。为了制造速度更快的计算机，工程师们不断缩小晶体管的尺寸，以便将越来越多的晶体管封装到芯片上。有些晶体管只有几十纳米宽，容易泄漏电子并发热。这些热量会破坏计算机的能源效率并损坏组件。量子热力学可以帮助物理学家学习减少浪费热量的技巧，甚至可能利用计算机内部的小型设备收集热量。
对于寻求建造实用量子计算机的物理学家来说，热量管理更为重要。这种设备需要在极低的温度下运行，以利用量子效应，并有可能超越传统计算机。
接下来，罗斯纳格尔和他的同事计划冷却他们的单原子，直到它能够保持微妙的量子态，包括叠加和纠缠。这样的实验将检验 Huber 的理论结果，并揭示调整这些“量子性”旋钮以更好地利用热量做功的潜力。
物理学界的一些反对者表示，这样的实验最终可能会违背备受推崇的热力学第二定律。但不要指望这一点。20 世纪早期的英国天体物理学家亚瑟·爱丁顿仍然坚信，任何试图违背热力学第二定律的理论都将“惨败”。但他并没有说要稍微改变一下目标。
本文刊登于 2016 年 3 月 19 日的期刊，标题为“热定律走向微观：物理学家探索量子领域的热力学”。
