2025-04-14 13:00 来源：本站编辑
在一项突破性的发现中，来自日本名古屋大学和斯洛伐克科学院的研究人员揭示了量子理论和热力学之间相互作用的新见解。
该团队证明，虽然量子理论本身并不禁止违反热力学第二定律，但量子过程可以在不违反热力学第二定律的情况下实现。这一发现发表在《npj量子信息》杂志上，强调了两个领域之间的和谐共存，尽管它们在逻辑上是独立的。他们的发现为理解量子技术的热力学边界开辟了新的途径，比如量子计算和纳米级引擎。
这一突破有助于对热力学第二定律的长期探索，热力学第二定律通常被认为是物理学中最深刻和最神秘的原理之一。热力学第二定律断言，熵——衡量系统无序程度的指标——永远不会自发减少。它还指出，循环运行的发动机不能通过从单一的热环境中提取热量来产生机械功，并强调了单向时间流的概念。
尽管第二定律具有基础作用，但它仍然是科学中最具争议和误解的原理之一。这场争论的核心是“麦克斯韦妖”悖论，这是物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦在1867年提出的一个思想实验。
麦克斯韦设想了一种假想的生物——魔鬼——能够在热平衡状态下对气体中的快分子和慢分子进行分类，而不消耗能量。通过将这些分子分离到不同的区域，“恶魔”可以制造温度差异。当系统恢复平衡时，机械功被提取出来，似乎违背了热力学第二定律。
一个多世纪以来，这一悖论一直吸引着物理学家，引发了关于这一定律的普遍性以及它是否取决于观察者的知识和能力的问题。解决这个悖论的方法主要集中在把魔鬼当作一个服从热力学定律的物理系统。一个建议的解决方案是消除恶魔的记忆，这需要消耗一些机械功，有效地抵消了第二定律的违反。
为了进一步探索这一现象，研究人员开发了一个“恶魔引擎”的数学模型，一个由麦克斯韦妖驱动的系统。他们的方法植根于量子仪器理论，这是20世纪70年代和80年代引入的一个框架，用于描述最一般的量子测量形式。
该模型包括三个步骤：恶魔测量目标系统，然后通过将其与热环境耦合来从中提取功，最后通过与同一环境相互作用来消除其记忆。
利用这个框架，研究小组推导出了魔鬼所消耗的功和它所提取的功的精确方程，用量子信息度量（如冯·诺伊曼熵和格林沃尔德-小泽信息增益）来表示。当比较这些方程式时，他们得到了一个惊人的结果。
该项目的首席研究员Shintaro Minagawa解释说：“我们的研究结果表明，在量子理论允许的某些条件下，即使在考虑了所有成本之后，提取的功也会超过消耗的功，这似乎违反了热力学第二定律。”“这一发现既令人兴奋又出乎意料，挑战了量子理论本质上是‘防魔鬼’的假设。“在这个框架中还有一些隐藏的角落，麦克斯韦妖仍然可以发挥它的魔力。”
尽管存在这些漏洞，研究人员强调它们不会对第二定律构成威胁。Hamed Mohammady说：“我们的工作表明，尽管存在这些理论上的漏洞，但设计任何量子过程使其符合第二定律是可能的。”换句话说，量子理论可能会违反热力学第二定律，但实际上它不必如此。这在量子力学和热力学之间建立了一种非凡的和谐：它们保持独立，但从不从根本上发生冲突。”
这一发现还表明，第二定律并没有对量子测量施加严格的限制。量子理论允许的任何过程都可以在不违反热力学原理的情况下实现。通过完善我们对这种相互作用的理解，研究人员的目标是在坚持热力学永恒原则的同时，为量子技术解锁新的可能性。
“我们在这篇论文中证明的一件事是，量子理论在逻辑上确实独立于热力学第二定律。也就是说，它可能违反法律，只是因为它根本不知道。”然而——这也同样了不起——任何量子过程都可以在不违反热力学第二定律的情况下实现。这可以通过增加更多的系统来实现，直到热力学平衡恢复。”
这项研究的意义超出了理论物理学。阐明量子系统的热力学极限为量子计算和纳米级发动机的创新提供了基础。当我们探索量子领域时，这项研究提醒我们，自然基本定律与突破性技术进步的潜力之间存在微妙的平衡。
