量子熱力學這個試圖調和量子理論與擁有200年曆史的熱和熵科學的新興領域正在蓬勃發展。它也引發了一些激烈的爭論。
許多物理學家希望從量子力學定律重建熱力學，這將有助於解決長期爭論的難題。這也有實際意義。該領域可以幫助解決熱和效率的概念是否適用於微小的電子元件，甚至原子大小的機器。
但是，儘管方法不斷湧現——其中許多方法在本月在英國牛津舉行的第五屆量子熱力學會議上提出——該領域的爭議仍然像以往一樣激烈。問題的關鍵在於，支配大規模熱和能量的基本定律是否也決定了奈米級系統的行為，或者是否需要新的定律。
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興趣日益增長：牛津大學物理學家、聯合組織者弗拉特科·維德拉爾表示，今年有 100 多位科學家參加了量子熱力學會議。這比往年的人數增加了一倍。
新加坡南洋理工大學理論家、聯合組織者費利克斯·賓德表示，這樣的會議彙集了來自使用不同技術語言的子領域的研究人員。“不同的方法之間有很多障礙被打破。”
但一些物理學家，如德國奧格斯堡大學的彼得·漢吉警告說，一些工作是被誤導的。“這個領域發展迅速，但也有很多廢話被寫出來（和談論）。”他說。
自 19 世紀和 20 世紀初熱力學三定律被提出以來，物理學家們一直在爭論其含義。這些定律指出，能量不能被創造或毀滅；一個孤立系統中的無序量或熵永遠不會減少；並且不可能將物體冷卻到絕對零度。但是，熱力學是自相矛盾的。第二定律，它也限制了熱能轉化為功的效率——就像蒸汽機中發生的那樣——尤其具有爭議性。
該定律指出，無序的產生是不可逆轉的。但一些物理學家認為，在微觀層面上，這似乎與力學定律（無論是牛頓定律還是量子物理定律）相沖突。這些研究人員說，力學定律規定所有過程都可以逆轉。
研究人員提出了不同的方法來解決這個難題，但沒有一種方法讓所有人滿意。“這一直有點像髒活，”西班牙卡斯特爾德費爾斯光子科學研究所的物理學家克里斯蒂安·戈戈林說。
戈戈林的工作涉及採用統計力學，其中溫度或熱等量是許多粒子組成的系統的平均屬性，並開發其量子版本。一些物理學家認為，這種統計力學方法表明，熵或熱等量取決於觀察者擁有的資訊。特別是，一個全知全能的“神”可以知道每個粒子的位置和運動並計算它們的演化，而這種秩序的程度將取決於觀察者的看法。
近年來，隨著許多物理學家開始將資訊視為可量化且具有物理意義的東西，這種方法重新煥發了生機。
在由相對較少的粒子組成並受量子定律支配的系統中，統計力學更加模糊。例如，如果趨向無序是一種純粹的統計現象，那麼原則上它可能不適用於單個分子。然而，在過去十年中，理論家們認為量子系統傾向於達到並保持平衡狀態（或最大無序狀態），即使它們只有少數幾個元件。實驗證實了這一點，少量原子被雷射光捕獲在真空中。
在 2011 年發表在《自然》雜誌上的一篇理論論文中，維德拉爾和他的合作者表明，量子關聯（粒子在相距很遠時共享“糾纏”量子狀態的能力）可以被利用來產生機械功。
最近，物理學家在第三定律方面取得了進展。在 3 月 14 日發表在《自然通訊》雜誌上的一篇論文中，倫敦大學學院的盧伊斯·馬薩內斯和喬納森·奧本海姆表明，量子力學定律限制了從物體中提取熱量的速度，並且達到絕對零度將需要無限的時間。他們的工作似乎證實了第三定律源於量子力學。
牛津大學理論物理學家基亞拉·馬萊託和大衛·多伊奇提出了一個更激進的建議，提出了一組所有物理理論都必須滿足的原則，這是一種“萬物理論”，量子力學等定律應由此而來。在 2016 年的一篇預印本中，馬萊託概述了這組元定律如何導致根據物理變換必須遵守的規則來重新定義熱力學概念。
無論這些爭論的結果如何，它們都可能對未來的技術產生影響。物理學家已經制造出“量子熱機”，它可以將量子水平的熱能轉化為功。量子計算等應用正在從理論走向現實世界，因此瞭解微觀尺度的熱力學可能至關重要。“你需要設計不僅僅是更快，而且在熱力學上最佳化的演算法，”雷納說。
本文經許可轉載，並於 2017 年 3 月 29 日首次發表。