熱量傳遞的不可逆性，是大名鼎鼎的熱力學第二定律的核心含義。然而，來自巴西的一群科學家們，卻用一個實驗證明了，在量子力學的世界裡，熱量可以自發地從低溫流向高溫。顯然，熱力學第二定律在這種環境下失效了。
近日，一篇在《自然·通訊》雜誌上發表的論文引發了科學界和媒體的廣泛關注。來自巴西的科學家們首次通過實驗發現，在有量子關聯（quantum-correlation）的前提下，熱量也可以自發地從低溫的粒子流向高溫的粒子，而無需藉助外界的能量輸入。
這種看上去「明顯違反」了（其實並沒有）熱力學第二定律的現象，之前只存在於理論中，而這回，首次在現實世界裡得以實現。量子力學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！
牢不可破的定律
這個世界上總有一些你永遠沒法打破的定律，熱力學第二定律便是其中之一。
煮好的飯菜不及時吃掉會變涼。
從冰箱裡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。
我們的世界裡，在沒有外部能量輸入的情況下，熱量總會自發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後都達到同樣的溫度為止。這便是熱量傳遞的不可逆性，也就是大名鼎鼎的熱力學第二定律的核心含義。
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圖丨熱量總是自發地從高溫熱源流向低溫熱源
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第二定律。熱力學第二定律有一個核心的概念，用來表徵孤立系統裡混亂和無序的程度——熵。而孤立系統裡的熵，要麼不變，要麼只有一個變化方向：就是變多，永遠也不會減少。如果沒有外界的幹預，那麼打碎的鏡子永遠無法自行重組，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展，而絕不會走回頭路。
1927 年，英國天體物理學家愛丁頓（ Arthur Eddington）首先把這種「孤立系統只會往熵增加的方向變化」的規律，叫做熱力學的「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：孤立系統只會朝著無序程度更高的方向發展（來源：Max Pixel）
但這並不意味著，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。在炎炎夏日，空調就可以源源不斷地把溫度更低的室內的熱量傳給溫度更高的室外。有人說，空調是人類歷史上最偉大的發明。今年夏天，北半球的很多小夥伴可能都十分認同這個說法。不過，為了實現熱量的反向傳遞，空調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的。
然而，來自巴西的一群科學家們，卻用一個實驗證明了，在量子力學的世界裡，熱量可以自發地從低溫流向高溫。顯然，熱力學第二定律在這種環境下失效了。
說好的牢不可破呢？這又是怎麼一回事呢？
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）原子構成。科學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後，各自的溫度會產生什麼變化。
而在相互作用之前，他們利用超導磁場，讓這個實驗開始於兩種不同的初始狀態：
1）13C和1H兩個系統之間實現「量子關聯（quantum-correlation）」；
以及 2）它們二者之間並不關聯。
所謂的量子關聯，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。我們經常聽到的「量子糾纏」，就是量子關聯的一種：一個粒子的狀態和另一個粒子的狀態實時相關，如果一個的狀態發生改變，那麼不論相隔多遠，另一個也會出現相應的變化，從而可以用來傳遞信息。我們並不清楚量子關聯的基礎機制，但卻清晰知道它是否存在。如果兩個量子之間不相關，那麼不論其中一個是什麼狀態，都不會和另一個產生什麼超越空間的關係。這也是我們日常生活中能看到的絕大多數物體之間的關係——沒有關係：中國的一杯茶泡好了，美國的一杯咖啡並不會因此涼掉。
在科學家們進行的第一個實驗中，兩個原子核各自組成的這兩個系統，初始是不相關的。他們發現，在兩個系統相互作用之後，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。
圖丨不相關的系統熱流正向（來源：Nature communications）
這和宏觀世界裡的溫度變化別無二致，也和熱力學第二定律描述的一樣：熱量自發地從高溫的系統流向了低溫的系統，最終它們的溫度達到一致。
然而，當這兩個系統初始相關時，「奇蹟」出現了：
圖丨 相關的系統熱流反向（來源：Nature communications）
在為時幾千分之一秒的相互作用之後，伴隨著關聯性的衰減，熱量竟然自發地從低溫的系統流向了高溫的系統，導致了原本較冷的原子核更冷了，而較熱的原子核更熱了！
熱力學第二定律失效了？
到底發生了什麼？
研究人員在論文中給出了非常詳盡的理論分析。實驗背後的故事，還要從一隻神奇的「妖精」說起。
麥克斯韋妖
其實，早在熱力學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，熱力學第二定律可能是可以失效的。而這個人，就是將電、磁、光統一為電磁波的物理學巨擘——麥克斯韋。
他提出了一個著名的思想實驗：
假設，存在這樣一種「妖精」，可以知道一團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。由於溫度是氣體分子平均運動速度的表徵，所以存放氣體的絕熱容器裡，各處的溫度是一致的。而在容器中間，有一道可開可關的「暗門」。當速度比較快的分子經過時，這隻有「神力」的妖精就會打開暗門，讓這個分子飛到另一邊去。反覆操作之後，這團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，相當於實現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隻神物，熱力學第二定律也就被打破了：畢竟看上去沒有外界的能量輸入啊！
100 多年前，麥克斯韋妖只存在於麥克斯韋的大腦中。但隨著科技的進步，現代的科學家們有了自己的「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。這種技術可以對微觀粒子進行量子層面的精準操作和測量，有了這等神物，發現熱力學第二定律「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第二定律。牢不可破的熱力學第二定律依然牢固，而且被科學家們帶上了全新的境界——量子力學。
前面我們提到的熱力學第二定律的關鍵——熵，是被用來表示一個系統最多可以處於多少種不同的狀態的。在我們日常生活中可以見到的宏觀世界裡，系統的熵等於系統內每個部分的熵的總和。但在量子物理學家眼中，熵和信息可以是一回事。對於一個量子系統來說，熵衡量的其實是這個系統的相關性，也就是相關的粒子之間彼此的信息有多少。相關性越高，彼此之間的信息量越大，系統的熵也就越高。
如果兩個粒子完全不相關，那麼它們之間的信息量就為零，這兩個粒子發生作用，系統裡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，這和宏觀世界並無二致。
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，伴隨著的就是相關性的衰減和熵的減少，從而發生了熱力學第二定律中描述過的「不可能發生」的孤立系統裡熱量從低溫自發流向高溫。
然而，一百多年前提出熱力學第二定律的時候，並沒有考慮到相互作用的兩個系統之間也會有量子關聯這種情況。而這次實驗的研究人員認為，他們「讓兩個系統量子相關」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第二定律的解釋之一。如果這樣一隻神奇的妖精真的存在，那麼它觀察分子速度獲取信息、儲存這些信息、利用這些信息進行操作的過程，必然也會產生額外的能量消耗， 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，手機一玩遊戲就發燙，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，這個能量並不少。
圖丨你的電腦冬天可以當你的暖手寶嗎？溫暖你的熱量，絕大多數都是信息啊！(來源：Wikimedia Commons)
就這樣，研究人員把經典熱力學帶到了一個全新的境界。在量子力學的境界裡，不再需要空調，量子物理學家用量子關聯也可以實現熱量從低溫向高溫的搬運。這不僅僅為微觀領域的傳熱、量子熱機的製造提供了全新的思路，更完美地揭示出了宏觀世界裡不經常見到的量子力學、熱力學和信息學之間的緊密聯繫。
正是這些基礎領域的不斷突破，才讓技術應用的持續進步，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. Batalhão, 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. Batalhão, Roberto M. Serra, Eric Lutz. Reversing the thermodynamic arrow of time using quantum correlations. arXiv:1711.03323v1 (2017)
https://www.iflscience.com/physics/quantum-experiment-reversed-the-thermodynamic-arrow-of-time/
https://www.sciencenews.org/article/arrow-of-time-reversed-quantum-experiment
https://phys.org/news/2019-06-reverses.html
https://zhuanlan.zhihu.com/p/37785151
https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_entanglement
https://zh.wikipedia.org/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. 量子關聯[J]. 物理, 2010, 39(11): 0-0.
https://www.pitt.edu/~jdnorton/Goodies/index.html
https://zhuanlan.zhihu.com/p/35652705
周濤,龍桂魯,傅雙雙,駱順龍. 量子關聯簡介[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
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