成功逆轉「熱力學時間箭頭」方向！讓熱從冷物體流向熱物體！

熱從熱物體流向冷物體，當熱體和冷體接觸時，它們交換熱能，直到達到熱平衡，熱體冷卻，冷體升溫，這是我們一直在經歷的自然現象。熱力學第二定律解釋了這一現象，該定律指出，孤立系統的總熵總是隨著時間推移而增加，直到達到最大值。熵是對系統無序程度的一種定量度量，孤立系統自發地向日益無序的狀態發展，缺乏分化。

巴西物理研究中心(CBPF)和美國ABC聯邦大學(UFABC)研究人員以及巴西和其他地方其他機構合作者進行的一項實驗表明，量子關聯影響著熱接觸中各部分熵的分布方式，逆轉了所謂「熱力學時間箭頭」的方向。換句話說，熱可以自發地從冷物體流向熱物體，而不需要像家用冰箱那樣在這個過程中投入能量。其研究發表在《自然通訊》上，從理論的角度描述了這個實驗。研究第一作者Kaonan Micadei在Roberto Serra教授的指導下完成了博士學位。

Serra也是作者之一，由FAPESP通過巴西國家量子信息科學技術研究所資助。FAPESP還向另一位合著者、聖保羅大學物理研究所(IF-USP)教授加布里埃爾?特謝拉?蘭迪(Gabriel Teixeira Landi)提供了兩筆與該項目有關的研究經費。相關性可以說代表了不同系統之間共享的信息，在經典物理描述的宏觀世界中，外部能量的加入可以逆轉系統中的熱量流動，使系統由冷向熱流動，例如，這就是在普通冰箱中發生的事情。

不違反熱力學第二定律

可以說，在納米實驗中，量子關聯產生了類似於能量增加的效應。在不違反熱力學第二定律的情況下，改變了流動方向。相反，如果在描述熱量傳遞時考慮資訊理論的元素，就會發現第二定律的一個廣義形式，並證明量子關聯在這一過程中所起的作用。實驗是用一個標有碳13同位素的氯仿分子樣品(一個氫原子、一個碳原子和三個氯原子)進行。樣品在溶液中稀釋，並使用核磁共振波譜儀進行研究，核磁共振波譜儀類似於醫院使用的核磁共振掃描儀，但磁場要強得多。

研究了氫原子和碳原子原子核自旋的溫度變化，氯原子在實驗中沒有任何物質作用。用射頻脈衝將每個原子核的自旋置於不同的溫度下，一個溫度較低，另一個溫度較高。溫度差很小，大約是1開爾文的幾百億分之一，但現在有了技術，可以非常精確地操縱和測量量子系統。在這種情況下，研究人員測量了原子核產生的射頻波動。研究探索了兩種情況：一種情況下，氫核和碳核開始時不相關，而另一種情況下，它們最初是量子相關的。

在第一種情況下，原子核不相關，觀察到熱量沿著通常的方向流動，從熱到冷，直到兩個原子核處於相同的溫度。在第二種情況下，當原子核開始相互關聯時，觀察到熱量朝相反的方向流動，從冷流向熱。這種效應持續了幾千分之一秒，直到最初的關聯被消耗掉。這個結果最值得注意的方面是，表明了一個量子製冷的過程，在這個過程中，外部能量的添加(就像在冰箱和空調中所做的那樣，用於冷卻特定的環境)可以被相關性所取代，即對象之間的信息交換。

麥克斯韋妖

信息可以用來改變熱量流入的方向，換句話說，使局部的熵減小，這一觀點出現在19世紀中期的經典物理學中，遠遠早於資訊理論的發明。這是詹姆斯·克拉克·麥克斯韋提出的一個思想實驗，麥克斯韋創造了著名的經典電磁學方程。在這個在當時引發了激烈爭論的思想實驗中，這位偉大的蘇格蘭物理學家說：如果有一種能夠知道每種氣體分子的速度，並在微觀尺度上操縱所有分子，那麼這種存在就能把它們分成兩個受者。

把比平均速度快的分子放在一個受者的熱室里，把比平均速度慢的分子放在另一個受者的冷室里。這樣，一種最初處於熱平衡狀態的氣體，由於混合了更快和更慢的分子，將演化成熵更小的分化狀態，麥克斯韋想通過思維實驗來證明熱力學第二定律僅僅是統計的。他所提出的存在，能夠在分子或原子尺度上介入物質世界，被稱為「麥克斯韋妖」。這是麥克斯韋為了表達觀點而虛構的。然而，現在實際上能夠在原子甚至更小的尺度上進行操作，因此通常的預期會有所改變。

本研究實驗就是一個證明，當然，沒有複製麥克斯韋的思維實驗，但產生了一個類似的結果。當我們談論信息時，指的不是無形的東西，信息需要一個物理基片，一個存儲器。如果你想從快閃記憶體驅動器上刪除1比特的內存，必須花費10000倍於由玻爾茲曼常數乘以絕對溫度組成的最低能量。這種消除信息所需的最小能量被稱為朗道爾原理。

這就解釋了為什麼擦除信息會產生熱量，例如筆記本電腦電池消耗的熱量就很多。研究人員觀察到，量子關聯中的信息可以用來做功，在這種情況下，熱量從較冷的物體轉移到較熱的物體，而不消耗外部能量。可以用比特來量化兩個系統的相關性，量子力學和資訊理論之間的聯繫創造了所謂的量子信息學。從實用的角度來看，所研究的效應有一天可以用來冷卻量子計算機處理器的一部分。

博科園｜研究/來自：FAPESP

參考期刊《自然通訊》

DOI: 10.1038/s41467-019-10333-7

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