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让热从冷物体流向热物体?成功逆转“热力学时间箭头”方向!

2019.06.28

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热从热物体流向冷物体,当热体和冷体接触时,它们交换热能,直到达到热平衡,热体冷却,冷体升温,这是我们一直在经历的自然现象。热力学第二定律解释了这一现象,该定律指出,孤立系统的总熵总是随着时间推移而增加,直到达到最大值。熵是对系统无序程度的一种定量度量,孤立系统自发地向日益无序的状态发展,缺乏分化。

巴西物理研究中心(CBPF)和美国ABC联邦大学(UFABC)研究人员以及巴西和其他地方其他机构合作者进行的一项实验表明,量子关联影响着热接触中各部分熵的分布方式,逆转了所谓“热力学时间箭头”的方向。换句话说,热可以自发地从冷物体流向热物体,而不需要像家用冰箱那样在这个过程中投入能量。其研究发表在《自然通讯》上,从理论的角度描述了这个实验。研究第一作者Kaonan Micadei在Roberto Serra教授的指导下完成了博士学位。

Serra也是作者之一,由FAPESP通过巴西国家量子信息科学技术研究所资助。FAPESP还向另一位合著者、圣保罗大学物理研究所(IF-USP)教授加布里埃尔·特谢拉·兰迪(Gabriel Teixeira Landi)提供了两笔与该项目有关的研究经费。相关性可以说代表了不同系统之间共享的信息,在经典物理描述的宏观世界中,外部能量的加入可以逆转系统中的热量流动,使系统由冷向热流动,例如,这就是在普通冰箱中发生的事情。

不违反热力学第二定律

可以说,在纳米实验中,量子关联产生了类似于能量增加的效应。在不违反热力学第二定律的情况下,改变了流动方向。相反,如果在描述热量传递时考虑信息论的元素,就会发现第二定律的一个广义形式,并证明量子关联在这一过程中所起的作用。实验是用一个标有碳13同位素的氯仿分子样品(一个氢原子、一个碳原子和三个氯原子)进行。样品在溶液中稀释,并使用核磁共振波谱仪进行研究,核磁共振波谱仪类似于医院使用的核磁共振扫描仪,但磁场要强得多。

研究了氢原子和碳原子原子核自旋的温度变化,氯原子在实验中没有任何物质作用。用射频脉冲将每个原子核的自旋置于不同的温度下,一个温度较低,另一个温度较高。温度差很小,大约是1开尔文的几百亿分之一,但现在有了技术,可以非常精确地操纵和测量量子系统。在这种情况下,研究人员测量了原子核产生的射频波动。研究探索了两种情况:一种情况下,氢核和碳核开始时不相关,而另一种情况下,它们最初是量子相关的。

在第一种情况下,原子核不相关,观察到热量沿着通常的方向流动,从热到冷,直到两个原子核处于相同的温度。在第二种情况下,当原子核开始相互关联时,观察到热量朝相反的方向流动,从冷流向热。这种效应持续了几千分之一秒,直到最初的关联被消耗掉。这个结果最值得注意的方面是,表明了一个量子制冷的过程,在这个过程中,外部能量的添加(就像在冰箱和空调中所做的那样,用于冷却特定的环境)可以被相关性所取代,即对象之间的信息交换。

麦克斯韦妖

信息可以用来改变热量流入的方向,换句话说,使局部的熵减小,这一观点出现在19世纪中期的经典物理学中,远远早于信息论的发明。这是詹姆斯·克拉克·麦克斯韦提出的一个思想实验,麦克斯韦创造了著名的经典电磁学方程。在这个在当时引发了激烈争论的思想实验中,这位伟大的苏格兰物理学家说:如果有一种能够知道每种气体分子的速度,并在微观尺度上操纵所有分子,那么这种存在就能把它们分成两个受者。

把比平均速度快的分子放在一个受者的热室里,把比平均速度慢的分子放在另一个受者的冷室里。这样,一种最初处于热平衡状态的气体,由于混合了更快和更慢的分子,将演化成熵更小的分化状态,麦克斯韦想通过思维实验来证明热力学第二定律仅仅是统计的。他所提出的存在,能够在分子或原子尺度上介入物质世界,被称为“麦克斯韦妖”。这是麦克斯韦为了表达观点而虚构的。然而,现在实际上能够在原子甚至更小的尺度上进行操作,因此通常的预期会有所改变。

本研究实验就是一个证明,当然,没有复制麦克斯韦的思维实验,但产生了一个类似的结果。当我们谈论信息时,指的不是无形的东西,信息需要一个物理基片,一个存储器。如果你想从闪存驱动器上删除1比特的内存,必须花费10000倍于由玻尔兹曼常数乘以绝对温度组成的最低能量。这种消除信息所需的最小能量被称为朗道尔原理。

这就解释了为什么擦除信息会产生热量,例如笔记本电脑电池消耗的热量就很多。研究人员观察到,量子关联中的信息可以用来做功,在这种情况下,热量从较冷的物体转移到较热的物体,而不消耗外部能量。可以用比特来量化两个系统的相关性,量子力学和信息论之间的联系创造了所谓的量子信息学。从实用的角度来看,所研究的效应有一天可以用来冷却量子计算机处理器的一部分。

博科园|研究/来自:FAPESP
参考期刊《自然通讯》
DOI: 10.1038/s41467-019-10333-7
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