新的熱力學(xué)：量子物理學(xué)如何改變規(guī)則

與物理學(xué)和工程學(xué)的許多分支一樣，爭論和研究的一個共同點是：在什么條件下，物理學(xué)的經(jīng)典定律和理論會崩潰，需要量子理論來回答新出現(xiàn)的問題？這與熱力學(xué)沒有什么不同，科學(xué)家們正在探索這些界限。與量子物理學(xué)研究的許多其他領(lǐng)域一樣，新發(fā)現(xiàn)通常會提供更多問題，即使它們揭示了答案。此外，這些新的理論和發(fā)現(xiàn)可能表明物理現(xiàn)象如何運(yùn)作的各個方面，但可能需要數(shù)年或數(shù)十年才能真正理解。

這方面的一個例子是最近發(fā)表的一篇文章，“微觀熱機(jī)運(yùn)行中量子效應(yīng)的實驗演示”，其中康奈爾大學(xué)的研究人員測量了據(jù)報道超過隨機(jī)界限四個標(biāo)準(zhǔn)偏差的輸出功率，輸出功率降低到低于由于連貫性降低而受到約束。

熱機(jī)從溫差中提取有用的能量，受熱力學(xué)第二定律設(shè)定的限制。但在量子世界中，規(guī)則是不同的。

“最近，據(jù)預(yù)測，在 ? 的小作用范圍內(nèi)，存在相干性將導(dǎo)致不同量子熱機(jī)類型的熱力學(xué)等效；此外，與使用相同資源的經(jīng)典熱機(jī)相比，它可以提供更大的功率輸出，”該論文寫道。“在這里，我們通過使用金剛石中的氮空位中心集合實現(xiàn)了兩種類型的量子熱機(jī)，并首次通過實驗證明了這些量子熱力學(xué)特征?！?/p>

盡管這些發(fā)現(xiàn)尚未經(jīng)過同行評審，但英國?？巳卮髮W(xué)的珍妮特安德斯等量子物理學(xué)家認(rèn)為，它們可能具有開創(chuàng)性?！斑@似乎是一種神奇的燃料，”安德斯說?！芭c其說是增加能量，不如說是讓發(fā)動機(jī)更快地提取能量。理論物理學(xué)家將需要研究它是如何做到這一點的。”

盡管經(jīng)典熱力學(xué)自成立以來的幾十年里相對沒有受到質(zhì)疑，但物理測量技術(shù)和量子物理學(xué)研究的最新進(jìn)展使更先進(jìn)的測試和實際實驗成為可能。這導(dǎo)致了量子熱力學(xué)研究的發(fā)展。曾經(jīng)只有少數(shù)這樣的科學(xué)家，更多的科學(xué)家一直在探索量子熱力學(xué)，以尋找開發(fā)新技術(shù)的潛力?！斑@個領(lǐng)域發(fā)展得如此之快，我?guī)缀醺簧?，”以色列耶路撒冷希伯來大學(xué)該領(lǐng)域的早期先驅(qū) Ronnie Kosloff 說。

這也可能是非常及時的研究，因為微電子行業(yè)生產(chǎn)的半導(dǎo)體和物理器件和跡線可能不再被 經(jīng)典熱力學(xué)準(zhǔn)確描述。盡管層尺寸越來越薄的問題和極薄的金屬跡線可能會成為最新微電子技術(shù)的預(yù)防性問題，甚至超出了將這些晶體管保持在最佳溫度的一般問題。在不久的將來很可能會出現(xiàn)更多的量子熱力學(xué)發(fā)現(xiàn)，希望其中一些能夠為即將到來的量子技術(shù)所固有的許多新興問題提供新的解決方案。