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实验反转了热流的方向

发布时间:2019-06-28 11:45:31 来源:

热量从热物体流向冷物体。当热和冷体热接触时,它们交换热能直到达到热平衡,热体冷却下来,冷体升温。这是我们一直经历的自然现象。

热力学第二定律解释了这一点,它表明孤立系统的总熵总是趋于随着时间的推移而增加,直到达到最大值。熵是系统中病症的定量测量。孤立的系统自发地演变为越来越无序的状态和缺乏分化。

巴西物理研究中心(CBPF)和联邦大学ABC(UFABC)的研究人员以及巴西和其他地方其他机构的合作者进行的实验表明,量子相关性影响熵的分布方式在热接触的部件之间,扭转所谓的“热力学时间箭头”的方向。

换句话说,热量可以自发地从冷物体流到热物体,而不需要在家用冰箱所需的过程中投入能量。一篇描述实验与理论考虑的文章刚刚在Nature Communications上发表。

该文章的第一作者Kaonan Micadei在Roberto Serra教授的监督下完成了博士学位,目前正在德国从事博士后研究。Serra也是该文章的作者之一,得到了圣保罗研究基金会 - FAPESP通过巴西国家科学技术研究所量子信息的支持。FAPESP还向另一位合着者,圣保罗大学物理研究所(IF-USP)教授Gabriel Teixeira Landi颁发了两项与该项目相关的研究经费。

“相关性可以说是代表不同系统之间共享的信息。在经典物理学描述的宏观世界中,从外部添加能量可以逆转系统中的热量流动,使其从冷到热流动。这就是发生的事情。例如,在普通的冰箱中,“塞拉说。

“可以说,在我们的纳米级实验中,量子相关产生了与增加能量相似的效果。流动的方向被颠倒而不违反热力学第二定律。相反,如果我们考虑到信息的要素在描述热传递的理论中,我们找到了第二定律的一般形式,并证明了量子相关在过程中的作用。“

用含有碳-13同位素的氯仿分子(氢原子,碳原子和三个氯原子)样品进行实验。将样品稀释在溶液中并使用核磁共振光谱仪进行研究,类似于医院中使用的MRI扫描仪,但具有更强的磁场。

“我们研究了氢和碳原子核自旋的温度变化。氯原子在实验中没有任何物质作用。我们使用射频脉冲将每个原子核的自旋放置在不同的温度,一个冷却器,另一个温度差异很小,约为1开尔文的十亿分之几,但我们现在拥有的技术使我们能够极其精确地操纵和测量量子系统。在这种情况下,我们测量了由此产生的射频波动。原子核,“塞拉说。

研究人员探讨了两种情况:一种是氢和碳核开始不相关的过程,而另一种情况下,它们最初是量子相关的。

“在第一种情况下,由于核不相关,我们观察到热量在通常的方向上流动,从热到冷,直到两个核处于相同的温度。在第二种情况下,核与初始相关,我们观察到热量在相反的方向,从寒冷到炎热。效果持续了几千分之一秒,直到最初的相关性被消耗,“塞拉解释说。

这个结果最值得注意的方面是它提出了一种量子制冷过程,其中外部能量的增加(如在冰箱和空调中所做的那样,以冷却特定环境)可以用相关性代替,即信息交换。对象之间。

麦克斯韦的恶魔

信息可以被用来扭转热流的方向 - 换句话说,导致熵的局部减少 - 出现在19世纪中叶的经典物理学中,早在信息理论发明之前。

这是1867年James Clerk Maxwell(1831-1879)提出的一个思想实验,其中包括创造了着名的经典电磁方程。在这个引发当时激烈争论的思想实验中,伟大的苏格兰物理学家说,如果有一个人能够知道每个气体分子的速度并且能够在微观尺度上操纵所有分子,那么就可以将它们分成两个接收者,将比平均值更快的分子放在一个中以形成一个热隔间,而在另一个中创建一个比平均值更慢的分子来形成一个冷隔间。以这种方式,由于较快和较慢分子的混合物而最初处于热平衡的气体将演变成具有较少熵的分化状态。

麦克斯韦希望通过思想实验证明热力学第二定律仅仅是统计学的。

“他所提出的能够在分子或原子尺度上干预物质世界的人,被称为'麦克斯韦的恶魔'。这是麦克斯韦发明的一个小说来表达他的观点。但是,我们现在实际上能够以原子甚至更小的尺度运作,以便改变通常的期望,“塞拉说。

Serra和合作者进行的实验以及刚刚发表的文章中描述的实验证明了这一点。当然,它没有重现麦克斯韦的思想实验,但它产生了类似的结果。

“当我们谈论信息时,我们并不是指无形的东西。信息需要物理基板,存储器。如果你想从闪存驱动器中擦除1位存储器,你必须花费10,000倍的最小能量由玻尔兹曼常数乘以绝对温度组成。擦除信息所需的最小能量被称为Landauer原理。这就解释了为什么擦除信息会产生热量。笔记本电池被热量消耗得更多,“塞拉说。

研究人员观察到的是,量子相关中存在的信息可用于执行工作,在这种情况下,热量从较冷的物体传递到较热的物体,而不消耗外部能量。

“我们可以通过比特量化两个系统的相关性。量子力学和信息理论之间的联系正在创造所谓的量子信息科学。从实际的角度来看,我们研究的效果有一天可以用来冷却一部分量子计算机的处理器,“塞拉说。

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