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反转时间之箭,量子力学如何挑战热力学第二定律?

文 | Katia Moskvitch  编译 | 集智翻译组
导语:最近的一项实验表明,量子力学能够让热量从低温物体流向高温物体,这看起来“违反”了热力学第二定律。
 
1.热力学第二定律与时间之箭
 
热力学第二定律可以表述为,热量总是自发地从高温物体流向低温物体(克劳修斯表述)。然而最近的一项实验表明,量子力学能够让热量从低温物体流向高温物体,这显然(实则并不真的)违反热力学第二定律。
 
有些物理规律是永远不会被打破的,比如说热力学第二定律。热力学第二定律的另一种表述是,孤立系统的熵——系统无序度的量度——永不减少。也就是说,存在一个时间箭头,其指向为熵增加的方向。
 
玻璃会破碎,奶油会溶解在咖啡里,鸡蛋会变成炒蛋,但事情永远不会倒转过来发生。因为在这些过程中,系统总体的熵是增加的,这也是为什么热量总是从高温物体流向低温物体。在物理世界中,热力学第二定律是如此基本,以至于物理学家相信热力学第二定律才是时间单向流动的原因。
 
2.量子关联系统反转时间之箭
 
然而,一如既往,量子力学总有办法在看似不可违反的规律中,引入令人费解的例外。在一项最新研究中,一群物理学家让热量自发地从一个低温的量子物体流向高温的量子物体。这个实验强调了在新兴的量子热力学领域正在探索的,信息、熵与能量的密切关系。
 
这支来自巴西的研究团队,利用的是由一个碳原子、一个氢原子和三个氯原子构成的氯仿分子(CHCl3)。他们构建磁场,让碳原子核与氢原子核这两个粒子,即两个量子比特(qubit)的自旋排布整齐。这使得两个原子核互相连接,或者说关联(correlation),成为单一的、不可分割的整体——一个二比特的量子态。
 
这种关联使令人费解的行为成为可能。
 
传统意义上,熵用来度量系统可能存在的不同结构的数量。在经典系统中,系统的熵等于其各部分的熵的总和。
 
而在量子世界里,关联性(correlations)也会影响熵。一个二量子比特的系统可以处于四种可能的量子态,记作00,01,10,11,系统的熵由处于每一个量子态的概率决定。通过比较两个单量子比特的的熵之和,与由两个单量子比特组成的关联系统的熵,研究人员可以测量关联的强度。
 
实验开始时两个粒子强烈地关联。随着实验进行,粒子之间逐渐失去连接,关联性减弱。参与此项研究的巴西ABC联邦大学的研究人员Kaonan Micadei说,这意味着单个粒子的熵的总和减少。
 
如果一个规则的、非关联的系统的总熵突然减少,将会违反热力学第二定律。但是在这项实验中,研究人员将关联性考虑在内。
 
伦敦帝国学院的物理学家 David Jennings认为,关联性的减弱就像“某种因素驱使热量从低温物体流向高温物体”。
 
巴西ABC联邦大学的物理学家、这个研究小组的负责人 Roberto Serra 认为,冷的量子比特变得更冷,热的量子比特变得更热,也就是说,热量从从低温物体流向高温物体。这种现象的出现是因为关联性和熵之间的权衡。
 
 
至少在这个孤立系统当中,该操作有效地反转了时间之箭。“热力学的时间之箭依赖于一个概念,即孤立系统的熵只能增加或保持恒定,但永远不会减少,”Micadei说,“如果在实验室中创造出一个熵减少的孤立系统,那么,这个系统的时间之箭就指向了相反的方向。”
 
Serra认为,这项研究的结果表明,时间之箭并非一个绝对的概念,而是强烈依赖于初始条件的选择,是一个相对的概念。
 
这个效应之前已经被预测过,但这是第一次在物理系统中实现时间之箭的反转。“该物理效应早已有之,这是一个很好的实验验证,”麻省理工学院的物理学家,量子信息领域的专家Seth Lloyd说。
 
其实,早就有研究人员“拨弄”过时间之箭了。在2012年,来自巴黎高等物理化学工程学院(ESPCI ParisTech)和法国国家科学研究中心(CNRS)的团队让水波原路折回,反转了波的数学描述。在2016年,另一个团队验证了一个通用公式,用所谓的量子点来区分时间之箭的方向。
 
3.实验的现实意义——量子热机和宇宙起源
 
尽管这项研究暂时不能让我们制造一台时间机器,但它对于现实世界却有重要影响。英国贝尔法斯特女王大学的物理学家 Mauro Paternostro 正在研究如何利用与上述类似的物理效应,制造效率极高的量子热机(quantum heat pumps),“大型量子热机提供的机会将比其微型版本大得多。”
 
这项工作还可能影响人类对于宇宙起源的思考。宇宙学中一个持久的谜团是,为何宇宙起源于一个低熵的状态,随着宇宙历史的演进,熵在增加,时间在向前。Serra希望,通过将熵与量子纠缠联系起来,这个实验可以激起关于宇宙学中时间之箭的讨论。
 
翻译:梁金
审校:刘培源
编辑:李沛欣
来源:www.quantamagazine.org
原题:Quantum Correlations Reverse Thermodynamic Arrow of Time
原文网址:
https://www.quantamagazine.org/quantum-correlations-reverse-thermodynamic-arrow-of-time-20180402/
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