新实验“打破”热力学第二定律,时间的箭头不再绝对

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新实验“打破”热力学第二定律,时间的箭头不再绝对
麻省理工科技评论 2018年4月16日

2018年4月16日

最近,一个巴西的研究小组在一项实验中让热量自发地从一个冷的系统流向了一个热的系统,强调了在量子热力学的新兴领域中,信息、熵与能量这三者间的关联密切。
物理
最近,一个巴西的研究小组在一项实验中让热量自发地从一个冷的系统流向了一个热的系统,强调了在量子热力学的新兴领域中,信息、熵与能量这三者间的关联密切。

在热力学的第二定律中,孤立系统内的熵(一个系统的无序程度)只增不减,比如一杯热水在室温下放一段时间后会变凉,但可能还没有一杯凉水能自己在室温下变热。宇宙整体的熵会增加,这便是热量会从温度高的系统流至温度低的系统的原因,事实上物理上时间的定义也可以说是由此而来。

但最近,一个巴西的研究小组在一项实验中让热量自发地从一个冷的系统流向了一个热的系统,强调了在量子热力学的新兴领域中,信息、熵与能量这三者间的关联密切。在实验中,小组首先制备了一个由碳原子,氢原子和三个氯原子组成的分子, 然后使用磁场来对准碳氢两个粒子的核自旋,或“量子位”,之后碳原子和氢原子的核会变得相互关联,从而使这两个粒子变成了一个不可分离的整体——一个包含两个量子比特的量子态。

而正是这个相关性,造就了这一“违反”热力学第二定律的现象。一般来说,熵是被用来表示一个系统最多可以处于多少种状态的(在你观察并确认系统处于某一特定状态前)。而在一个经典系统中,系统的熵等于系统内每个分部的熵的总和。但在对于一个量子系统来说,熵衡量的其实是这个系统的相关性。一个两量子比特系统在被观察前可以处于四种不同的状态,这四种状态如果用0和1来表示的话便是00,01,10和11。而一个量子系统的熵便由系统处于每种可能状态的概率决定,研究人员也由此能通过将单个量子比特的熵与系统的熵做对比来测量系统的相关性。实验从两个强相关的粒子开始,而随着实验的进行,两个粒子会逐渐退相关,导致它俩间的相关性减弱。参与了研究的巴西圣保罗ABC联邦大学研究员Kaonan Micadei说: “这意味着,以单个粒子的熵为单位,熵的总和会减少。”

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在一个不规则的,不相关的系统中,总的熵突然下降会违反第二定律。 但在这项实验中,研究人员需要把相关性也考虑在内。 伦敦帝国理工学院物理学家David Jennings说:“相关性的弱化类似于‘将热量从较冷系统转移至较热的系统的燃料’。” ABC联邦大学物理学家和该研究的小组负责人Roberto Serra表示:“冷的量子比特越来越冷,热的那个则越来越越热。换句话说,热量从冷的系统流到了热的系统。而造成这一现象便是‘系统的相关性与熵之间的平衡’。”Micadei说:“时间箭头的方向(时间是矢量)的热力学定义源于熵在一个封闭的系统中只能增加或是保持不变,但通过在实验室中创建熵会减少的孤立系统,我们能够使时间箭头指向相反的方向。”Serra 表示:“这意味着时间的箭头不是一个绝对的概念,相反,它强烈地依赖于我们所设的定的初始条件。“麻省理工学院物理学家,量子信息专家Seth Lloyd说:“虽然理论上我们已经预见到这种情况的存在,但这是第一次有人确实在物理系统中逆转了时间的箭头。对于这个已经存在了很久的理论来说,这是一次相当不错的实验证明。”

虽然目前的论文不会让我们更接近于构建一台时间机器,但它可能对现实世界有着重要影响。 贝尔法斯特女王大学的物理学家Mauro Paternostro正在研究如何使用类似的效应来创造效率非常高的量子热泵。Mauro说: “大型量子机器(large-scale quantum thermo-machine)的潜在应用十分广泛。”该研究同时也会影响人们对于宇宙起源的思考。宇宙学长久以来就有一个为什么宇宙非要始于一个低熵状态,并允许熵在整个宇宙的历史中随着时间的流逝而增加(假设允许时间流逝)。 而通过将熵与量子纠缠结合起来,Serra希望这项实验能对宇宙时间箭头的讨论产生“刺激性”的后果。

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