量子热力学这个试图调和量子理论与拥有200年历史的热和熵科学的新兴领域正在蓬勃发展。它也引发了一些激烈的争论。
许多物理学家希望从量子力学定律重建热力学，这将有助于解决长期争论的难题。这也有实际意义。该领域可以帮助解决热和效率的概念是否适用于微小的电子元件，甚至原子大小的机器。
但是，尽管方法不断涌现——其中许多方法在本月在英国牛津举行的第五届量子热力学会议上提出——该领域的争议仍然像以往一样激烈。问题的关键在于，支配大规模热和能量的基本定律是否也决定了纳米级系统的行为，或者是否需要新的定律。
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兴趣日益增长：牛津大学物理学家、联合组织者弗拉特科·维德拉尔表示，今年有 100 多位科学家参加了量子热力学会议。这比往年的人数增加了一倍。
新加坡南洋理工大学理论家、联合组织者费利克斯·宾德表示，这样的会议汇集了来自使用不同技术语言的子领域的研究人员。“不同的方法之间有很多障碍被打破。”
但一些物理学家，如德国奥格斯堡大学的彼得·汉吉警告说，一些工作是被误导的。“这个领域发展迅速，但也有很多废话被写出来（和谈论）。”他说。
自 19 世纪和 20 世纪初热力学三定律被提出以来，物理学家们一直在争论其含义。这些定律指出，能量不能被创造或毁灭；一个孤立系统中的无序量或熵永远不会减少；并且不可能将物体冷却到绝对零度。但是，热力学是自相矛盾的。第二定律，它也限制了热能转化为功的效率——就像蒸汽机中发生的那样——尤其具有争议性。
该定律指出，无序的产生是不可逆转的。但一些物理学家认为，在微观层面上，这似乎与力学定律（无论是牛顿定律还是量子物理定律）相冲突。这些研究人员说，力学定律规定所有过程都可以逆转。
研究人员提出了不同的方法来解决这个难题，但没有一种方法让所有人满意。“这一直有点像脏活，”西班牙卡斯特尔德费尔斯光子科学研究所的物理学家克里斯蒂安·戈戈林说。
戈戈林的工作涉及采用统计力学，其中温度或热等量是许多粒子组成的系统的平均属性，并开发其量子版本。一些物理学家认为，这种统计力学方法表明，熵或热等量取决于观察者拥有的信息。特别是，一个全知全能的“神”可以知道每个粒子的位置和运动并计算它们的演化，而这种秩序的程度将取决于观察者的看法。
近年来，随着许多物理学家开始将信息视为可量化且具有物理意义的东西，这种方法重新焕发了生机。
在由相对较少的粒子组成并受量子定律支配的系统中，统计力学更加模糊。例如，如果趋向无序是一种纯粹的统计现象，那么原则上它可能不适用于单个分子。然而，在过去十年中，理论家们认为量子系统倾向于达到并保持平衡状态（或最大无序状态），即使它们只有少数几个组件。实验证实了这一点，少量原子被激光光捕获在真空中。
在 2011 年发表在《自然》杂志上的一篇理论论文中，维德拉尔和他的合作者表明，量子关联（粒子在相距很远时共享“纠缠”量子状态的能力）可以被利用来产生机械功。
最近，物理学家在第三定律方面取得了进展。在 3 月 14 日发表在《自然通讯》杂志上的一篇论文中，伦敦大学学院的卢伊斯·马萨内斯和乔纳森·奥本海姆表明，量子力学定律限制了从物体中提取热量的速度，并且达到绝对零度将需要无限的时间。他们的工作似乎证实了第三定律源于量子力学。
牛津大学理论物理学家基亚拉·马莱托和大卫·多伊奇提出了一个更激进的建议，提出了一组所有物理理论都必须满足的原则，这是一种“万物理论”，量子力学等定律应由此而来。在 2016 年的一篇预印本中，马莱托概述了这组元定律如何导致根据物理变换必须遵守的规则来重新定义热力学概念。
无论这些争论的结果如何，它们都可能对未来的技术产生影响。物理学家已经制造出“量子热机”，它可以将量子水平的热能转化为功。量子计算等应用正在从理论走向现实世界，因此了解微观尺度的热力学可能至关重要。“你需要设计不仅仅是更快，而且在热力学上优化的算法，”雷纳说。
本文经许可转载，并于 2017 年 3 月 29 日首次发表。