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量子物理定律在时间上是可逆的!违反热力学第二定律?

熵的产生,即系统无序程度的增加,是热力学第二定律在宏观世界的必然趋势。这使得经典物理学所描述过程是不可逆的,并由此引申出时间流的方向。然而,这种趋势并不一定适用于由量子力学控制的微观世界。量子物理定律在时间上是可逆的,所以在微观世界中,现象的流动没有优先的方向。当代科学研究最重要的目标之一就是准确地知道从量子世界到经典世界的转变发生在哪里,以及为什么会发生——换句话说,就是找出是什么使得熵的产生占主导地位。这一目标解释了目前研究介观系统的兴趣所在,介观系统不像单个原子那么小,但却表现出明确的量子行为。

博科园-科学科普:来自巴西和其他地方的研究人员的一项新的实验研究为这一领域做出了重要贡献,一篇关于它的研究论文最近发表在《物理评论快报》上。圣保罗大学物理研究所(IF-USP)教授加布里埃尔·特谢拉·兰蒂(Gabriel Teixeira Landi)说我们研究了两种系统:一种是玻色-爱因斯坦凝聚体,其中10万个原子被限制在一个腔内;另一种是验光机腔,它将光线限制在两个镜子之间。Landi是负责为这两个实验开发熵的产生与可测量量相关的理论模型科学家之一。该研究由圣保罗研究基金会- fapesp资助。瑞士联邦理工学院(ETH Zurich)研究了玻色-爱因斯坦凝聚态,奥地利维也纳大学(University of Vienna in Austria)研究了腔式验光仪。

当两个量子谐振子(绿色)在不同的温度下耦合到两个热浴时,得到的静止状态的说明。在这种情况下,热量会从高温热源流向低温热源,表现出不可逆的行为。之所以选择本研究中描述的实验,是因为它们在概念上类似于这种简化情况。图片:Gabriel Teixeira Landi

玻色-爱因斯坦凝聚态通常被称为“物质的第五种状态”(其他四种状态是固体、液体、气体和等离子体),它是在一组原子冷却到几乎为绝对零度时形成。在这些条件下,粒子不再具有相对移动的自由能,其中一些粒子进入相同的量子态,彼此之间变得难以区分。原子遵循所谓的玻色-爱因斯坦统计,这通常适用于相同的粒子。在玻色-爱因斯坦凝聚态中,整个原子群表现为一个粒子。验光师腔基本上是一个光阱。在这个特殊的例子中,其中一个镜子是由能够机械振动的纳米薄膜组成。因此,实验涉及到光和机械振动之间的相互作用。在这两个系统中,都有两个热源,一个是热的,另一个是冷的,这样热量就可以从一个热源流向另一个热源。

这两种情况都显示出不可逆过程的特征,因此熵增加。此外,由于量子效应,它们表现出不可逆性,这些实验使经典效应与量子涨落有了明显的区别。这方面研究的主要困难是熵的产生不能直接测量。因此,在有关的实验中,科学家们不得不在熵的产生和其他信号不可逆性和直接可测量现象之间建立一种理论关系。在这两种情况下,他们都选择测量从空腔中泄漏出来的光子,并故意使用半透明的镜子让一些光逃逸出来。测量了腔内光子的平均数量以及振动镜的力学变化。在两个实验中,量子涨落都增加了不可逆性,这是一个违反直觉的发现。它不一定是可以推广。它发生在这两种情况下,但在其他情况下可能无效。我把这两个实验看作是在这种平台上重新思考熵的初步尝试。例如,他们为用更少的铷原子或更小的光学腔进行进一步实验打开了大门。

信息丢失与无序

在最近的一项理论研究中,Landi展示了经典涨落(原子和分子的振动,产生热能)和量子涨落是如何同时发生,而不一定会导致相同的结果,这项研究是这两个新实验的先驱。冷凝液和光围腔都是介观现象。然而,与其他介观现象不同的是,由于受到环境的屏蔽,它们的量子特性得到了完美的保护。因此,它们提供了受控的情况,在这种情况下,经典和量子现象之间的熵产竞争可以非常清晰地观察到。熵可以用多种方式来解释,如果我们从信息的角度考虑,熵的增加意味着信息损失。从热力学的观点来看,熵衡量无序的程度。熵越大,系统的无序程度就越大。通过结合这两种观点,我们可以对这一现象有更全面的了解。

玻色-爱因斯坦凝聚态和光学腔都是所谓“量子模拟平台”的例子。这些平台使科学家能够避开知识进步的一个主要障碍,因为自然界中有一些重要的系统存在描述性模型,但由于计算困难而无法对其进行预测。最著名的例子是高温超导。没有人了解某些材料能像超导体在液态氮的沸点(大约-196°C)。新平台提供了可以模拟这些系统的量子设备。然而,它们以一种可控的方式这样做,消除了所有复杂的因素,只关注感兴趣的最简单的现象。近年来,量子模拟的理念非常流行,模拟范围从医学中的重要分子到宇宙学中的关键结构。

博科园-科学科普|研究/来自: FAPESP

José Tadeu Arantes, FAPESP

参考期刊文献:《物理评论快报》

论文DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.160604

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