量子热力学兴起：

物理学界试图在量子世界重建热力学定律

来源：物理学家组织网

远望智库技术预警中心  谌为

蒸汽机将热转化为功，带来了第一次工业革命；物理学家们正在商讨量子尺度的机器是否可以像蒸汽机一样工作。

量子热力学是一个新兴的研究领域，此领域试图搞清楚热力学在量子尺度是否适用。

物理学家希望从量子力学的基本原理出发重建热力学，以此来化解长期以来的纷争。这项研究也有实用价值。通过此领域的研究，可以帮助理清热和效率的概念是否也适用于微型的电子元件和原子尺度的机器。

通过开展研究，虽然取得了一些进展，例如，本月在牛津大学举办的第五届量子热力学大会展示了这些研究成果，但这一领域仍存在很多争议。核心问题是宏观尺度的热力学定律是否适用于纳米尺度体系，或者在纳米尺度存在新的规律。

越来越多的科学家对此领域感兴趣，例如，今年有超过100位科学家参与了本次量子热力学会议，这是之前会议人数的两倍。

宏观世界中，热运动和热现象的基本规律是由热力学三大定律所描述。

热力学第一定律也就是能量守恒定律。一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和。

热力学第二定律有几种表述方式：热量可以自发地从温度高的物体传递到较冷的物体，但不可能自发地从温度低的物体传递到温度高的物体；不可能从单一热源吸取热量，并将这热量完全变为功，而不产生其他影响；随时间进行，一个孤立体系中的熵不会减小。

热力学第三定律表述为绝对零度不可达到。

通过应用热力学三大定律，人类掌握了热机技术。但宏观尺度的热力学定律是否也适用于纳米尺度的热机呢？

科学家进行了一系列的实验，发现了一些量子尺度的热力学现象和规律。例如，巴西和英国科学家携手首次证实，热力学过程在量子系统中不可逆。

这些新认识让量子热力学得以兴起。尽管量子热力学还争议不断，但量子热力学的兴起无疑将对量子技术的发展起到促进作用。例如，物理学家已经制造了“量子热机”，这种机器能在量子尺度将热转化为功。量子热力学的研究结论对于理解量子系统中的热力学、设计量子计算机以及更深入地洞悉其他量子信息技术都大有裨益。