英物理学家：量子推动可使钻石的功率输出高于经典热力学限定的水

　　原标题：英国物理学家：量子推动可使钻石的功率输出高于经典热力学限定的水平

　　据中国科学报12月5日报道，英国量子物理学家正在利用人造钻石做实验，试图证明一种几年前刚被理论化的效应：量子推动可使钻石的功率输出高于经典热力学限定的水平。

　　只有鲁莽的物理学家，才敢于尝试打破热力学定律。不过，事实证明，或许真有改变这些定律的办法。在英国牛津大学的一间实验室里，量子物理学家正试图利用一小块人造钻石做到这一点。起初，这颗淹没在乱七八糟的光学纤维和镜子中的钻石几乎不可见。不过，当研究人员打开绿色激光器时，钻石中的缺陷被照亮，晶体开始发出红色的光。

　　在这束光线中，科学家发现了一种几年前刚被理论化的效应存在的初步证据：量子推动可使钻石的功率输出高于经典热力学限定的水平。如果结论成立，它们将给量子热力学研究带来实实在在的好处。量子热力学是一个相对较新的领域，旨在原子尺度上揭示控制热量和能量流动的定律。

　　打破定律

　　经典热力学定律的发展要追溯到19世纪。它们诞生于理解蒸汽机和其他宏观系统所做的努力。诸如温度、热量等热力学变量本质上是统计性的，并且根据大型粒子群的平均运动被定义。但回到上世纪80年代，该领域的早期先驱、以色列希伯莱大学研究人员Ronnie Kosloff开始思考这种状况对于小很多的系统来说是否仍行得通。

　　Kosloff介绍说，当时这并不是一个流行的研究分支，因为要回答的问题大多是抽象的，同试验结合的希望也很渺茫。“这个领域发展得非常慢。”Kosloff说，“我孤军奋战了好多年。”

　　约十年前，随着关于技术微型化限制的问题变得日益紧迫以及实验技术取得突破，这一切发生了巨大改变。研究人员开展了一系列尝试，以推断热力学和量子理论如何被结合起来。然而，Kosloff表示，由此产生的提议带来了更多困惑，而非让问题变得更加清晰。一些人宣称，量子元件能在不受损伤的情况下打破经典热力学限制，因此可作为无须任何能量输入便能开展工作的永动机。其他人则提出，热力学定律应当在极小尺度下保持不被改变。不过，他们同样感到困惑。“在某些情形下，你可以利用相同的等式推断出单个原子发动机和汽车引擎的性能。”Kosloff介绍说，“但这同样看起来令人震惊——可以肯定的是，当物体变得越来越小时，应当会达到某个量子极限。”在经典热力学中，单个粒子并没有温度。因此，德国弗莱堡大学量子物理学家Tobias Schaetz认为，随着做功的系统及其环境趋近这一极限，想象它们会遵守标准热力学规则越来越成为一件荒谬的事情。

　　寻找极限

　　受到信息是一种物理量并且同热力学密切相关的想法启发，研究人员已尝试重新改写热力学定律，从而使其在量子领域也能行得通。

　　永动机似乎是不可能的。不过，早期的希望是量子热力学给定的限制和在经典领域相比可能没有那么严格。“这是我们从量子计算中学习到的一连串思路，即量子效应有助于打破经典界限。”以色列理工学院量子物理学家Raam Uzdin介绍说。

　　他同时表示，令人失望的是，事实并非如此。 分析表明，第二定律（支配效能）和第三定律（禁止系统达到 零度）的量子版本和传统“化身”保持类似的限制，甚至在某些情形下保持更加严格的限制。

　　理论也揭示了一些潜在的余地。在一项探究信息流在充满粒子的热室和冷室之间移动的理论分析中，一个包括西班牙巴塞罗那光子科学研究所量子物理学家Arnau Riera和Manabendra Nath Bera在内的团队发现了一种奇怪的场景：热室似乎自发地变得更热，而冷室变得更冷。“起初，这看上去很疯狂，好像我们打破了热力学定律。”Bera介绍说。但研究人员很快意识到，他们忽略了量子扭曲，即腔室中的粒子会变得相互纠缠。理论上，产生并打破这些关联为储存和释放能量提供了方法。一旦这种量子资源被列入进来，热力学定律便逐渐显现出来。