前沿量子理论推动热动力学研究

3月5日发表于《自然·通讯》（Nature Communications）期刊的研究，探讨了有150年历史的热力学吉布斯悖论（Gibbs paradox）的量子理论版本，发现热力学系统在经典物理和量子物理框架下，对信息的主观认知和系统的控制，有着根本的不同。

吉布斯悖论是一个思想实验，考虑把两份同等体积、压力的气体置于一个盒子内两个隔开的密室里。如果两份气体完全相同，当把中间的隔板去掉后，整个系统应该自然已经达到平衡状态，不会出现任何变化。如果两份气体存在差异，气体的混合过程将出现熵的变化直到整体达到平衡。

理论学家称，如果系统内两份气体的差异从观测者的角度看不出，或者可以忽略不计，那么系统达到平衡是否还要考虑熵的变化?由于热力学熵的概念通常被认为是客观的物理属性，这个问题至今困扰了理论学家一百多年。

现在，英国诺丁汉大学（University of Nottingham）的数学家把这个实验置于量子系统框架下。他们提议说，混合两份除了颜色分别为红色和蓝色、其他属性完全一样的气体，当系统达到平衡状态，有一定程度熵的变化。如果观测者透过紫色的玻璃观测这个系统，因为分辨不出颜色的差异，所以看不到系统在混合过程有任何变化。在这种情况下，对于观测者来说，这个混合过程系统熵的变化为零。

这项研究的主要作者亚丁（Benjamin Yadin）和莫里斯（Benjamin Morris）解释说：“我们以为像熵这样的物理属性应该具有相对于观测者而言独立的量值，但是我们发现了奇特的结果。为了解释这个悖论，我们应该意识到热力学告诉我们，拥有特殊能力的观测者可以利用熵的变化做功。例如，发热膨胀的气体可以用于驱动一个引擎，也就是说，为了从混合过程中获得有用功，需要一个可以‘看见’系统内红色和蓝色气体之间差异的设备。”

在经典物理学框架下，对于分辨不出两种气体差异的观测者，就无法从系统的混合过程中得到有用功。这份研究展示的是在量子力学起作用的情况下，即使无法分辨两份气体的差异，观测者仍然可以从混合过程中获取有用功。

这份研究称，利用这个本质的不同，如果一个系统可以通过量子设备控制这两份气体，情况将和经典的宏观热机不同。研究者认为，这是因为量子系统里特殊的叠加态能够编码比经典系统更多的信息。

诺丁汉大学教授阿德索（Gerardo Adesso）说：“希望我们的理论框架能够激励新兴的量子热力学领域更多的发展。

“量子热机是我们日常生活中常见的加热器和冷却机的微型版本，用一个或几个原子就能实现（现有实验已经验证）。它们的性能通过量子叠加态和量子纠缠这些特性可以得到增强。现在，要设计出在实验室可以进行的量子版本的吉布斯悖论实验，需要实现对系统参数精确的控制，可能通过精细的‘光学晶格’系统或玻色-爱因斯坦凝聚物可以实现。目前我们正在和其他实验小组合作设计这样的实验。”