量子热力学的星星之火，会燎原还是会熄灭？

量子热力学的星星之火，会燎原还是会熄灭？

在英国牛津大学的一个实验室里，量子物理学家们正试图用一小块人造金刚石来改变热力学定律。研究小组发现了仅在几年前被理论预言的一个效应的初步证据：一种能将金刚石的输出功率推到经典热力学定律规定的水平之上的量子效应。这是一个相对较新的领域，旨在揭示在原子尺度上控制热量和能量流动的规则。

科学家有理由怀疑在量子领域中，基于大量粒子行为的热力学定律是不同的。在过去的五年左右，一个量子热力学团体围绕这个想法发展起来。许多量子热力学家希望能找到传统热力学之外的行为，以应用于实际，包括改进基于实验室的制冷技术，创造性能更强的电池和改善量子计算技术。

但是这个领域还处于起步阶段。像牛津大学金刚石实验这样的实验只是对理论预测的最初测试。而在外围工作的物理学家正密切关注这样的测试，探寻可证明理论家的预测有应用价值的证据。

经典热力学定律的发展可以追溯到十九世纪。它们的出现源于对蒸汽机和其他宏观系统的研究。热力学量本质上是统计意义的，并且参照粒子大集合体的平均运动来定义。但是早在20世纪80年代，Kosloff就开始思考这种物理认知对于更小的系统是否仍旧适用。

从约十年前起，这种情况发生了巨大变化，因为有关技术小型化极限的问题变得更为迫切，同时实验技术也进步了。人们进行了一系列的尝试来计算热力学和量子理论如何结合。但是由此产生的建议不但没有澄清事实，反而造成了更多的混乱。

科学家开始开展实验来敲定量子热力和经典热力之间的边界。例如，去年Schaetz和他的同事发现，在一定条件下，晶体中由五个或更少的镁离子组成的链不像更大的系统一样能与周围环境达到并保持热平衡。

受到信息是一个物理量并且与热力学密切相关的观点的启发，研究人员试图改写热力学定律，以使它们在量子体系中也有效。虽然人们意识到永动机或许是不可能的，但是人们仍在研究早期希望量子热力学所规定的极限不如经典领域中的极限那么苛刻。

量子效应可以用来提高热力学性能的概念也启发了牛津大学正在进行的金刚石实验，这个实验最早由希伯来大学的Kosloff，Uzdin和Amikam Levy提出。金刚石中被氮原子散射所产生的缺陷能够作为引擎。

Hänggi说，着眼于实验是振兴该领域的重要一步。但是，对他来说，这些实验还不够大胆，无法提供真正突破性的见解。还有一个挑战是量子系统会不可逆转地被测量和与环境的相互作用干扰。

如今量子热力学蓬勃发展，“不过，这星星之火是会燎原还是熄灭，我们只能拭目以待。”