新的热力学：量子物理学如何改变规则

与物理学和工程学的许多分支一样，争论和研究的一个共同点是：在什么条件下，物理学的经典定律和理论会崩溃，需要量子理论来回答新出现的问题？这与热力学没有什么不同，科学家们正在探索这些界限。与量子物理学研究的许多其他领域一样，新发现通常会提供更多问题，即使它们揭示了答案。此外，这些新的理论和发现可能表明物理现象如何运作的各个方面，但可能需要数年或数十年才能真正理解。

这方面的一个例子是最近发表的一篇文章，“微观热机运行中量子效应的实验演示”，其中康奈尔大学的研究人员测量了据报道超过随机界限四个标准偏差的输出功率，输出功率降低到低于由于连贯性降低而受到约束。

热机从温差中提取有用的能量，受热力学第二定律设定的限制。但在量子世界中，规则是不同的。

“最近，据预测，在 ℏ 的小作用范围内，存在相干性将导致不同量子热机类型的热力学等效；此外，与使用相同资源的经典热机相比，它可以提供更大的功率输出，”该论文写道。“在这里，我们通过使用金刚石中的氮空位中心集合实现了两种类型的量子热机，并首次通过实验证明了这些量子热力学特征。”

尽管这些发现尚未经过同行评审，但英国埃克塞特大学的珍妮特安德斯等量子物理学家认为，它们可能具有开创性。“这似乎是一种神奇的燃料，”安德斯说。“与其说是增加能量，不如说是让发动机更快地提取能量。理论物理学家将需要研究它是如何做到这一点的。”

尽管经典热力学自成立以来的几十年里相对没有受到质疑，但物理测量技术和量子物理学研究的最新进展使更先进的测试和实际实验成为可能。这导致了量子热力学研究的发展。曾经只有少数这样的科学家，更多的科学家一直在探索量子热力学，以寻找开发新技术的潜力。“这个领域发展得如此之快，我几乎跟不上，”以色列耶路撒冷希伯来大学该领域的早期先驱 Ronnie Kosloff 说。

这也可能是非常及时的研究，因为微电子行业生产的半导体和物理器件和迹线可能不再被 经典热力学准确描述。尽管层尺寸越来越薄的问题和极薄的金属迹线可能会成为最新微电子技术的预防性问题，甚至超出了将这些晶体管保持在最佳温度的一般问题。在不久的将来很可能会出现更多的量子热力学发现，希望其中一些能够为即将到来的量子技术所固有的许多新兴问题提供新的解决方案。

审核编辑：彭静