量子熱力學興起：物理學界試圖在量子世界重建熱力學定律

文章來源：物理學家組織網

遠望智庫技術預警中心 諶為

量子熱力學興起

蒸汽機將熱轉化為功，帶來了第一次工業革命；物理學家們正在商討量子尺度的機器是否可以像蒸汽機一樣工作。

量子熱力學是一個新興的研究領域，此領域試圖搞清楚熱力學在量子尺度是否適用。

物理學家希望從量子力學的基本原理出發重建熱力學，以此來化解長期以來的紛爭。這項研究也有實用價值。通過此領域的研究，可以幫助理清熱和效率的概念是否也適用於微型的電子元件和原子尺度的機器。

通過開展研究，雖然取得了一些進展，例如，本月在牛津大學舉辦的第五屆量子熱力學大會展示了這些研究成果，但這一領域仍存在很多爭議。

核心問題是宏觀尺度的熱力學定律是否適用於納米尺度體系，或者在納米尺度存在新的規律。

越來越多的科學家對此領域感興趣，例如，今年有超過100位科學家參與了本次量子熱力學會議，這是之前會議人數的兩倍。

宏觀世界中，熱運動和熱現象的基本規律是由熱力學三大定律所描述。

熱力學第一定律也就是能量守恆定律。一個熱力學系統的內能增量等於外界向它傳遞的熱量與外界對它所做的功的和。

熱力學第二定律有幾種表述方式：熱量可以自發地從溫度高的物體傳遞到較冷的物體，但不可能自發地從溫度低的物體傳遞到溫度高的物體；不可能從單一熱源吸取熱量，並將這熱量完全變為功，而不產生其他影響；隨時間進行，一個孤立體系中的熵不會減小。

熱力學第三定律表述為絕對零度不可達到。

通過應用熱力學三大定律，人類掌握了熱機技術。但宏觀尺度的熱力學定律是否也適用於納米尺度的熱機呢？

科學家進行了一系列的實驗，發現了一些量子尺度的熱力學現象和規律。例如，巴西和英國科學家攜手首次證實，熱力學過程在量子系統中不可逆。

這些新認識讓量子熱力學得以興起。儘管量子熱力學還爭議不斷，但量子熱力學的興起無疑將對量子技術的發展起到促進作用。例如，物理學家已經製造了「量子熱機」，這種機器能在量子尺度將熱轉化為功。量子熱力學的研究結論對於理解量子系統中的熱力學、設計量子計算機以及更深入地洞悉其他量子信息技術都大有裨益。

20 世紀物理學(全3卷)

Twentieth Century Physics

(美)布朗(Brown, L.M.)等編；劉寄星等 譯

北京：科學出版社, 2014-2016

20 世紀是物理學的世紀, 物理學在20 世紀取得了突破性的進展, 改變了世界以及世界和人們對世界的認識。本書是由英國物理學會、美國物理學會組織發起, 由各個領域的知名學者（有很多是相關領域的奠基者、諾貝爾獎獲得者）執筆撰寫, 系統總結20 世紀物理學進展的宏篇巨著, 其內容涵蓋了物理學各個分支學科和相關的應用領域。全書共分3 卷27 章, 最後一章為3 位物理學大家對20 世紀物理學的綜合思考和對新世紀物理學的展望。本書可供物理學科研工作者、教師、物理學相關專業的研究生、高年級本科生, 以及對物理學感興趣的人員使用。

（本期責編：王芳）

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