我們總覺得只有傻瓜才會去質疑那些已經是板上釘釘的熱力學定律，但量子物理正在改變我們對一些規則的認知。——物理學家弗拉特科·韋德拉爾
幾年前，我產生了一個聽起來有點瘋狂的念頭：我想要建造一臺比物理定律所能允許的更為高效的機器。你可能會質疑這個想法。畢竟一臺機器的效率是由熱力學所決定的，而熱力學可能是物理學中最堅固的一根支柱。沒人會質疑熱力學定律的權威性。
但如果我現在離開我在牛津大學的辦公室並沿著走廊走下去，我會看到一臺可能超越經典熱力學限制的機器。這臺機器有著相當驚人的力量與精密度，它使用的不是活塞和機油，而是綠色雷射和離子。目前我們離真正造出這樣一臺機器還有很長一段路要走，但我相信像這樣的機器將會極大地改變未來科技。
造出更高效的計算機只是個開始，像這樣的機器也是下一個科學時代的先驅。要造出這樣的機器，我們首先要了解一個叫做量子熱力學的領域。而這個領域將會重塑我們對於生命、這個宇宙乃至所有事物的存在形式的認知。
預測宇宙結局的定律
熱力學研究的是一個系統的溫度、熱量、能量、做功之間的聯繫。熱力學涵蓋了這個世界的方方面面：從你的大腦到你的肌肉，從汽車引擎到廚房攪拌機，從恆星到類星體。通過熱力學提供的理論基礎，我們就能知道宇宙中哪些事情可以發生，哪些不能。如果你吃了個漢堡，你就要相應的消耗掉一些能量——要不然就會長胖；咖啡不會在桌子上自己變熱；宇宙在不斷膨脹的同時也在變冷，或許在遙遠的未來不可避免地陷入熱寂（註：宇宙的最終命運還沒有定論，一種名為「熱寂」的觀點認為宇宙會無限膨脹，直到宇宙的無序度達到最大值，再也沒有任何有效能量存在）。所有這些目前公認的事實都來自熱力學。具體來講，它們來自於熱力學兩個主要的定律，毫無創意地被命名為：第一定律和第二定律。
這兩個定律的起源可以追溯到很久以前。說到它們的起源故事，我最喜歡的章節之一和尤裡烏斯·馮·邁爾有關。邁爾是一位熱愛物理的德國醫生，19世紀40年代，他在一艘前往雅加達的船上當隨行醫生。在這期間，他發現一件奇怪的事：在靠近熱帶的地區，船上水手的靜脈血管是深紅色的，而不像在德國時是藍色的。
他猜想（儘管後來發現是錯的）造成這種現象的原因是在熱帶地區，人們不需要很多食物來維持體溫（因此食物燃燒過程減少，人體耗氧量減少，所以靜脈血裡的含氧量更高，顏色也就更紅）。邁爾在思考這個過程時，想到了第一定律的本質：能量不會憑空消失或產生，只會在幾種形態之間互相轉換。
能量守恆定律的提出者之一尤裡烏斯·馮·邁爾
而之後被稱作熱力學第二定律的法則，則可以追溯到邁爾登上那艘船的二十年以前。當時，蒸汽機正改造著整個歐洲，鍋爐與活塞推動著工業革命中每一間廠房運轉。薩迪·卡諾，一位法國工程師，對於沒人知道這些蒸汽機運行的原理感到很不滿，他決定自己探索這個原理。
他最重要的觀察是，拋開這些機械部件，熱的東西總是會向周圍發散熱量。比如說蒸汽機裡的水，在被加熱以後，總有一些熱量會發散到周圍的空氣裡，導致任何蒸汽機都無法達到百分之百的效率。1824年，他在他的唯一一本著作中提到，任何熱機（利用溫度差將熱能轉為機械能的機器）的效率都無法超過一個特定的上限，現在這個上限被稱為卡諾效率。卡諾效率取決於高溫熱源（熱量的來源，比如說用來燒水的火）以及低溫熱源（熱量的去處，比如周圍的空氣）之間的溫度差。
擺脫不了的熵
卡諾在幾年後去世，他的書被忽視了幾十年，直到被德國物理學家魯道夫·克勞修斯注意到。卡諾在書中提到熱是一種無重量的物質，叫做「熱質」（註：熱質是一種假想的流質，物體吸收熱質後溫度就會升高。熱質可以到處流動，從高溫物體流到低溫物體。卡諾在後期自己也否定了熱質學說），但克勞修斯知道熱實際上與分子或原子運動的速率有關。於是他修正了卡諾的觀點，引入了一個表示無序度的量，他稱之為「熵」。無序度越高，熵值就越高。想像你有一個熱的盒子，裡面充斥著高速運動的粒子；還有一個冷的盒子，裡面是緩慢運動的粒子。這樣的分配是有序的，因而是低熵的，因為速率和能量接近的粒子都被放在了一起。但克勞修斯說，這個宇宙不喜歡低熵的狀態。所以如果你打開這兩個盒子並把它們放到一起，裡面的粒子就會自動混合。這將他引向了第二定律：一個封閉系統的熵值會自然增長，除非你對系統做功來終止這種趨勢。
跟隨這兩條定律的邏輯，你應該能想到哪些事情在宇宙中絕不可能發生。天體物理學家亞瑟·愛丁頓曾說：「如果你發現你的理論違反了熱力學第二定律，那你就不要指望什麼了。你的理論只能讓你陷入最深的羞恥。」
那我的那臺機器的設想呢？它看上去就像從天上掉餡餅一樣不靠譜。實際上，已經有過關於能打破熱力學規律的機器的設想了——我們稱之為永動機，而且我們知道，這是科學江湖騙子的代名詞。但我走廊盡頭的那臺機器並不是如此。它鑽了一個神秘卻合理的空子：量子物理。
熱力學誕生於量子物理之前；實際上，熱力學還催生了量子物理。1900年，德國物理學家馬克斯·普朗克正在研究一種叫黑體的假想物體的性質。黑體能夠吸收所有落在它表面的輻射，然後釋放出來。當時最傑出的物理學家們都認為能量是無限可分的，當輻射頻率較大時，根據計算，黑體會輻射出無窮大的能量。這明顯是不可能的。普朗克解決了這個問題。他提出，能量可以被分成一個個不可分的基礎能量單位，他稱之為量子。
這一飛躍解決了許多棘手的物理問題。但當我們開始研究粒子在量子物理「劇本」下的表現時，我們發現它們表現出一些非同尋常的特性。一個最有名的例子就是量子糾纏：當兩個微觀粒子糾纏到一起時，改變其中一個粒子的同時能夠改變另一個粒子的特性。還有一個有名的例子，就是量子態疊加：一個原子可以同時處於低能和高能狀態。
這些行為幾乎打破了所有慣常的經典力學規則。我們有任何理由相信熱力學就不會被打破嗎？直到五年前我們才有條件去探索這些問題。就拿託比亞斯·舍茨在德國弗賴堡高等研究院的研究來說，2016年，他提出了一個實驗：給晶體中的離子施加一些能量，然後觀察它們如何冷卻。結果是這些離子並沒有像咖啡那樣逐漸冷卻，它們的能量在下降一段時間後，又突然迅速回升。這證明了我們一直以來的猜測：經典熱力學的規則在量子世界中並不一直成立。
不幸的是，我們現在還不太清楚這背後的原理是什麼，因為在量子世界裡還沒有能對應諸如「熱」、「熵」等這些熱力學名詞的概念。歸根結底，這些熱力學概念概括的是成千上萬個粒子的相對運動，而量子力學的研究對象往往是一兩個微觀粒子。描述系統狀態的名詞怎麼和研究一兩個粒子的概念相對應呢？
但無論如何，我還是要造一臺量子熱機。它可能和卡諾熟悉的那臺熱機不同，但它們的原理是一樣的。它的基本工作方式是，用光照射一堆有機分子，將它們激發到高能態。然後這堆分子會自發失去一些能量，這些能量會以光的形式重新釋放出來。
然後是關鍵的部分：如果我們的實驗操作都正確的話，從這堆分子中釋放出來的光是混在一起的，我們無法得知哪部分光來自哪個分子。根據量子理論，這意味著這堆分子一定處於糾纏態：當一個分子以光的形式釋放出部分能量時，其他的分子也自動放出同等能量。這個同步放出輻射的效應叫做超輻射（superradiance）。我認為量子熱機也會有一定的能量損耗，像兩百年前卡諾所提出的那樣。但由於這種超輻射效應，能量傳播的速度應該會快很多，使得這臺量子熱機比經典熱機效率更高。
去年我和我的兩個同事特裡斯坦·法羅以及羅伯特·泰勒一起完成了一個分子沒有糾纏的對照組實驗。但就當我們要開始完成那個有趣的部分的時候，我們被挖走了。
2017年10月，我在牛津的同事伊恩·沃姆斯利和他的團隊完成了一個與我們的預想類似的實驗。但他們沒有用有機分子，而是用了被限制在一種特製的鑽石腔內的原子。這些原子沒有處於糾纏態，但處於低能態和高能態的疊加態。可以肯定的是，沃姆斯利和他的團隊觀察到的光的產生速度比經典熱力學理論所預測的更快。
牛津大學的量子熱機試驗
這背後的原因現在還不太清楚。而且不得不承認，實驗結果超出經典預測的部分非常微小，也不具備實際應用價值。但重要的是，我們找到了量子熱機能夠打破經典熱力學鐵律的證據。
從量子冰箱到量子電池
想到這個機器以後還會得到改進，我已經迫不及待得想看到量子熱機的未來了。最先把我引到這個領域的，是我在量子計算機方面的研究。量子計算機通過操縱量子比特，能夠破解任何複雜棘手的計算，關於這種未來機械的討論已經有很多了。但要讓量子計算機能正常運作，就得把它的硬體冷卻到極低的溫度，這需要極大的能量。
沃姆斯利的量子熱機的衍生品或許能起到作用。畢竟一臺熱機把熱能直接轉化為功，就像蒸汽推動活塞那樣。如果我們把這個過程反過來，我們也可以直接做功把熱能給「泵」走。量子冰箱可以完成這個任務。新加坡國立大學的格列布·馬斯連尼科夫和他的同事們已經在進行量子冰箱的實驗了，目前來看，成果很可能會比經典概念的冰箱高效很多。
這個成果不僅惠及量子計算機。如果我們想要造出迷你電路，一個最大的困難就是電路元件距離太近時產生的過熱問題。更高效的製冷正是我們所需的。如果你覺得量子冰箱聽上去很便利，那麼允許我向你介紹一下量子電池。我之前的一個學生，菲利克斯·賓得，現在在新加坡南洋理工大學，已經證明了量子電池的充電速度比普通的電池快許多。
量子電池不像普通電池一樣通過離子移動來充電。這些電池包含許多小的電子比特，像計算機的比特一樣，這些電位可以是1（帶電）或0（不帶電）的狀態。在經典熱力學的框架下，給電池充電所需的能量與電子比特的數量呈正比關係。但賓得證明了，如果我們使用處於糾纏態的量子比特來代替這些電子比特，充滿電池所需的能量就只是量子比特數量的平方根。這意味著充滿一個1000比特的經典電池的時間，可以充滿一個一百萬比特的量子電池。義大利技術研究院的維託裡奧·帕列格裡尼就是致力於在幾年之內研製出如此超級電池的學者之一。
那個最不整潔的房間
但我們不應該認為量子熱力學的成果就只有一些高端的小玩意兒。它也觸及到了最本質的問題：生與死。地球上的生物不斷地與熱力學第二定律做著抗爭，從周圍環境裡吸收能量來維持自己細胞內的秩序。為生物活動提供能量的就是我們身體裡的小小熱機：線粒體。這就產生了令人迷惑的問題：由於自然選擇總是偏愛更高效的一方，生物本身有沒有可能進化出了量子熱機呢？關於量子效應在生物過程中是否重要的辯論十分火熱，但在我看來，進化能產生最高效的生物引擎這個想法本身並不算瘋狂。
甚至連時間的流逝這件事都可能被量子熱力學改寫。沒有任何物理定律告訴我們為什麼時間只能向前走——除了熱力學第二定律。熵只能不斷增長，這使得很多物理學家懷疑時間是熵變化的產物。從經典角度來講，熵增論很直觀且容易理解。舉個例子，根據經典熱力學，宇宙的無序度至少要達到它的任一部分的無序度。就好比一座房子，我們用把這座房子收拾乾淨所需要的力氣來表示它有多亂，那這座房子整體混亂的程度，不可能比其中最亂的那個房間還低。
但如果宇宙遵循量子熱力學的原則，那這個圖景就大不相同了。的確，我們不知道這個宇宙具體是什麼樣子，但我們的確知道，根據量子物理的公式，這個宇宙整體的無序度應該是保持不變的。還有，由於量子的不確定原理，我們無法得知關於宇宙某一部分狀態的全部信息，這意味著宇宙的某些部分無序度甚至可能比宇宙整體的無序度還高。
這或許意味著如果你從整個宇宙的角度來看，熵是不變的，所以根本沒有時間流動。但當你觀察宇宙的某一部分，熵值產生變化，於是時間開始流動。由於宇宙各處不用隨時保持一致，甚至宇宙不同部分的時間流向也可能不同。只有仔細探究量子熱力學，我們才能知道這些猜想正確與否，這也正是量子熱機如此有趣的原因。
博科園-科學科普｜撰文：弗拉特科·韋德拉爾｜來自： 環球科學ScientificAmerican（huanqiukexue）