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這種看上去“明顯違反”了（其實并沒有）熱力學(xué)第二定律的現(xiàn)象，之前只存在于理論中，而這回，首次在現(xiàn)實世界里得以實現(xiàn)。量子力學(xué)再一次帶給了我們巨大的驚喜：熵增這一“時間之矢”的方向，原來在微觀的層面上真的可以被逆轉(zhuǎn)！
（來源：Nature） 牢不可破的定律
這個世界上總有一些你永遠(yuǎn)沒法打破的定律，熱力學(xué)第二定律便是其中之一。
煮好的飯菜不及時吃掉會變涼。
從冰箱里拿出來的雪糕過一會也可能化成糖水。
滾燙的巖漿掉入海中，瞬間就會冷卻。
我們的世界里，在沒有外部能量輸入的情況下，熱量總會自發(fā)地從溫度更高的物體流向低溫的物體，直到先前冷熱有別的物體最后都達(dá)到同樣的溫度為止。這便是熱量傳遞的不可逆性，也就是大名鼎鼎的熱力學(xué)第二定律的核心含義。 
圖丨熱量總是自發(fā)地從高溫?zé)嵩戳飨虻蜏責(zé)嵩?/span> 
圖丨克勞修斯：這話我說過（來源：Wikimedia Commons） 不只是熱量的流動方向如此，世間萬事萬物都遵循著熱力學(xué)第二定律。熱力學(xué)第二定律有一個核心的概念，用來表征孤立系統(tǒng)里混亂和無序的程度——熵。而孤立系統(tǒng)里的熵，要么不變，要么只有一個變化方向：就是變多，永遠(yuǎn)也不會減少。如果沒有外界的干預(yù)，那么打碎的鏡子永遠(yuǎn)無法自行重組，混合在一起的兩種液體無法再自行分開，只能朝著混亂程度更高的方向發(fā)展，而絕不會走回頭路。
1927 年，英國天體物理學(xué)家愛丁頓（ Arthur Eddington）首先把這種“孤立系統(tǒng)只會往熵增加的方向變化”的規(guī)律，叫做熱力學(xué)的“時間之矢”，說它好比時間一樣，開弓沒有回頭箭。 
圖丨 混合在一起的顏料無法自行分開：孤立系統(tǒng)只會朝著無序程度更高的方向發(fā)展（來源：Max Pixel）
但這并不意味著，熱量一定不可以從低溫傳到高溫。在外界有能量輸入的情況下，有時候，熱流也可以反著來，讓低溫的溫度更低，高溫的溫度更高。比如說，空調(diào)。在炎炎夏日，空調(diào)就可以源源不斷地把溫度更低的室內(nèi)的熱量傳給溫度更高的室外。有人說，空調(diào)是人類歷史上最偉大的發(fā)明。今年夏天，北半球的很多小伙伴可能都十分認(rèn)同這個說法。不過，為了實現(xiàn)熱量的反向傳遞，空調(diào)需要外界向它輸送電能。如果沒有電力，屋外的熱浪遲早是要侵入室內(nèi)的。
然而，來自巴西的一群科學(xué)家們，卻用一個實驗證明了，在量子力學(xué)的世界里，熱量可以自發(fā)地從低溫流向高溫。顯然，熱力學(xué)第二定律在這種環(huán)境下失效了。
說好的牢不可破呢？這又是怎么一回事呢？ 精確的實驗
他們利用核磁共振波譜法（NMR ）在一個液態(tài)的氯仿分子（CHCl3）上做了文章。 
圖丨實驗中的氯仿分子（來源：Nature communications）
這個氯仿分子由一個碳元素的同位素 13C 的原子、一個氫（1H）原子和三個氯（Cl）原子構(gòu)成?？茖W(xué)家們通過精確的控制，讓其中一個原子核的溫度比另一個略高——大約為 1°C 的幾百億分之一。他們可以精確地測量出這兩個原子核在相互作用之后，各自的溫度會產(chǎn)生什么變化。
而在相互作用之前，他們利用超導(dǎo)磁場，讓這個實驗開始于兩種不同的初始狀態(tài)：
1）13C 和 1H 兩個系統(tǒng)之間實現(xiàn)“量子關(guān)聯(lián)（quantum-correlation）”；
以及 2）它們二者之間并不關(guān)聯(lián)。
所謂的量子關(guān)聯(lián)，指的是 13C 和 1H 這兩個量子比特（qubit）的自旋排布之間存在互相連接，成為了一個單一的、不可分割的整體。我們經(jīng)常聽到的“量子糾纏”，就是量子關(guān)聯(lián)的一種：一個粒子的狀態(tài)和另一個粒子的狀態(tài)實時相關(guān)，如果一個的狀態(tài)發(fā)生改變，那么不論相隔多遠(yuǎn)，另一個也會出現(xiàn)相應(yīng)的變化，從而可以用來傳遞信息。我們并不清楚量子關(guān)聯(lián)的基礎(chǔ)機(jī)制，但卻清晰知道它是否存在。如果兩個量子之間不相關(guān)，那么不論其中一個是什么狀態(tài)，都不會和另一個產(chǎn)生什么超越空間的關(guān)系。這也是我們?nèi)粘Ｉ钪心芸吹降慕^大多數(shù)物體之間的關(guān)系——沒有關(guān)系：中國的一杯茶泡好了，美國的一杯咖啡并不會因此涼掉。
在科學(xué)家們進(jìn)行的第一個實驗中，兩個原子核各自組成的這兩個系統(tǒng)，初始是不相關(guān)的。他們發(fā)現(xiàn)，在兩個系統(tǒng)相互作用之后，原來溫度更高的原子核溫度下降了，而原來溫度更低的原子核溫度升高了。
圖丨不相關(guān)的系統(tǒng)熱流正向（來源：Nature communications）
這和宏觀世界里的溫度變化別無二致，也和熱力學(xué)第二定律描述的一樣：熱量自發(fā)地從高溫的系統(tǒng)流向了低溫的系統(tǒng)，最終它們的溫度達(dá)到一致。
然而，當(dāng)這兩個系統(tǒng)初始相關(guān)時，“奇跡”出現(xiàn)了： 
圖丨 相關(guān)的系統(tǒng)熱流反向（來源：Nature communications）
在為時幾千分之一秒的相互作用之后，伴隨著關(guān)聯(lián)性的衰減，熱量竟然自發(fā)地從低溫的系統(tǒng)流向了高溫的系統(tǒng)，導(dǎo)致了原本較冷的原子核更冷了，而較熱的原子核更熱了！
熱力學(xué)第二定律失效了？
到底發(fā)生了什么？
研究人員在論文中給出了非常詳盡的理論分析。實驗背后的故事，還要從一只神奇的“妖精”說起。 麥克斯韋妖
其實，早在熱力學(xué)第二定律剛剛誕生不久的 1871 年，就有人提出，在一些特殊的情況下，熱力學(xué)第二定律可能是可以失效的。而這個人，就是將電、磁、光統(tǒng)一為電磁波的物理學(xué)巨擘——麥克斯韋。
他提出了一個著名的思想實驗：
假設(shè)，存在這樣一種“妖精”，可以知道一團(tuán)氣體中每一個分子的運動速度。起初，所有的氣體都是均勻混合的。由于溫度是氣體分子平均運動速度的表征，所以存放氣體的絕熱容器里，各處的溫度是一致的。而在容器中間，有一道可開可關(guān)的“暗門”。當(dāng)速度比較快的分子經(jīng)過時，這只有“神力”的妖精就會打開暗門，讓這個分子飛到另一邊去。反復(fù)操作之后，這團(tuán)氣體就被分成了兩個部分，一部分平均運動速度較快，所以溫度更高，而另一部分分子較慢，溫度較低。如此這般，就在沒有外界能量輸入的情況下，相當(dāng)于實現(xiàn)了熱量從冷的一端流向熱的一端，熵也就減少了。 
圖丨麥克斯韋妖（來源：John D. Norton）
圖丨克斯韋：對，就是我的妖精（來源：Wikimedia Commons） 如果真地存在這樣一只神物，熱力學(xué)第二定律也就被打破了：畢竟看上去沒有外界的能量輸入??！
100 多年前，麥克斯韋妖只存在于麥克斯韋的大腦中。但隨著科技的進(jìn)步，現(xiàn)代的科學(xué)家們有了自己的“麥克斯韋妖”——這就是上文提到的、這次實驗中用到的核磁共振波譜法。這種技術(shù)可以對微觀粒子進(jìn)行量子層面的精準(zhǔn)操作和測量，有了這等神物，發(fā)現(xiàn)熱力學(xué)第二定律“失效”的情況，也可以算是水到渠成。
只不過，不論是麥克斯韋妖，還是核磁共振波譜法，不論是思想實驗，還是真正的實驗，其實都沒有違背熱力學(xué)第二定律。牢不可破的熱力學(xué)第二定律依然牢固，而且被科學(xué)家們帶上了全新的境界——量子力學(xué)。
圖丨量子力學(xué)（來源：Flickr）
前面我們提到的熱力學(xué)第二定律的關(guān)鍵——熵，是被用來表示一個系統(tǒng)最多可以處于多少種不同的狀態(tài)的。在我們?nèi)粘Ｉ钪锌梢砸姷降暮暧^世界里，系統(tǒng)的熵等于系統(tǒng)內(nèi)每個部分的熵的總和。但在量子物理學(xué)家眼中，熵和信息可以是一回事。對于一個量子系統(tǒng)來說，熵衡量的其實是這個系統(tǒng)的相關(guān)性，也就是相關(guān)的粒子之間彼此的信息有多少。相關(guān)性越高，彼此之間的信息量越大，系統(tǒng)的熵也就越高。
如果兩個粒子完全不相關(guān)，那么它們之間的信息量就為零，這兩個粒子發(fā)生作用，系統(tǒng)里的熵也就只能不變或者增加。因此，在第一個實驗中，不相干的兩個原子核之間，熱量從高溫流到了低溫，熵也增加了，這和宏觀世界并無二致。
但在第二個實驗中，隨著兩個原子核的相互作用，它們之間的信息也隨之耗散了，伴隨著的就是相關(guān)性的衰減和熵的減少，從而發(fā)生了熱力學(xué)第二定律中描述過的“不可能發(fā)生”的孤立系統(tǒng)里熱量從低溫自發(fā)流向高溫。
然而，一百多年前提出熱力學(xué)第二定律的時候，并沒有考慮到相互作用的兩個系統(tǒng)之間也會有量子關(guān)聯(lián)這種情況。而這次實驗的研究人員認(rèn)為，他們“讓兩個系統(tǒng)量子相關(guān)”這個操作，其實也可以被看作是一種能量的輸入，只不過輸入的能量是信息，而且輸入的過程發(fā)生在相互作用之前，而不是相互作用的過程中。
而這也正是原版的麥克斯韋妖同樣沒有違反熱力學(xué)第二定律的解釋之一。如果這樣一只神奇的妖精真的存在，那么它觀察分子速度獲取信息、儲存這些信息、利用這些信息進(jìn)行操作的過程，必然也會產(chǎn)生額外的能量消耗， 從而帶來熵增。正如人體最耗能的器官是大腦，電腦最需要散熱的器件是 CPU，手機(jī)一玩游戲就發(fā)燙，寫入和擦除任何一個比特的信息，都是需要能量的輸入才能完成的。而且，這個能量并不少。
圖丨你的電腦冬天可以當(dāng)你的暖手寶嗎？溫暖你的熱量，絕大多數(shù)都是信息?。?來源：Wikimedia Commons) 就這樣，研究人員把經(jīng)典熱力學(xué)帶到了一個全新的境界。在量子力學(xué)的境界里，不再需要空調(diào)，量子物理學(xué)家用量子關(guān)聯(lián)也可以實現(xiàn)熱量從低溫向高溫的搬運。這不僅僅為微觀領(lǐng)域的傳熱、量子熱機(jī)的制造提供了全新的思路，更完美地揭示出了宏觀世界里不經(jīng)常見到的量子力學(xué)、熱力學(xué)和信息學(xué)之間的緊密聯(lián)系。
正是這些基礎(chǔ)領(lǐng)域的不斷突破，才讓技術(shù)應(yīng)用的持續(xù)進(jìn)步，和人類文明的持久繁榮，成為了可能。 -End- 參考： Kaonan Micadei, John P. S. Peterson, Alexandre M. Souza, Roberto S. Sarthour, Ivan S. Oliveira, Gabriel T. Landi, Tiago B. Batalh?o, Roberto M. Serra & Eric Lutz. Reversing the direction of heat flow using quantum correlations. Nature Communicationsvolume 10, Article number: 2456 (2019) Kaonan Micadei, John P. S. Peterson, Alexandre M. Souza, Roberto S. Sarthour, Ivan S. Oliveira, Gabriel T. Landi, Tiago B. Batalh?o, Roberto M. Serra, Eric Lutz. Reversing the thermodynamic arrow of time using quantum correlations. arXiv:1711.03323v1 (2017) https://www./physics/quantum-experiment-reversed-the-thermodynamic-arrow-of-time/ https://www./article/arrow-of-time-reversed-quantum-experiment https:///news/2019-06-reverses.html https://zhuanlan.zhihu.com/p/37785151 https://en./wiki/Quantum_entanglement https://zh./wiki/%E7%83%AD%E5%8A%9B%E5%AD%A6%E7%AC%AC%E4%BA%8C%E5%AE%9A%E5%BE%8B#%E9%BA%A6%E5%85%8B%E6%96%AF%E9%9F%A6%E5%A6%96 許金時, 李傳鋒, 張永生, 郭光燦. 量子關(guān)聯(lián)[J]. 物理, 2010, 39(11): 0-0. https://www./~jdnorton/Goodies/index.html https://zhuanlan.zhihu.com/p/35652705 周濤,龍桂魯,傅雙雙,駱順龍. 量子關(guān)聯(lián)簡介[J]. 物理, 2013, 42(08): 544-551.ZHOU Tao, LONG Gui-Lu, FU Shuang-Shuang, LUO Shun-Long. Introduction to quantum correlations. Physics, 2013, 42(08): 544-551. https://zhuanlan.zhihu.com/p/37785151 關(guān)注 DeepTech
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