熱力學第二定律被打破:打造永動機或成為可能
2020-12-05 網易科技愛因斯坦曾經大膽地聲稱，熱力學定律是宇宙中唯一一個「永不被推翻」的物理理論。但上月晚些時候，美國阿貢國家實驗室（Argonne National Laboratory，簡稱ANL）的科學家發現該體系存在一個漏洞，讓他們能夠打破熱力學第二定律。
這一發現不僅僅給了我們一個機會，讓我們有一天可以打造永動機，而且對我們如何理解宇宙有巨大影響。
永動機可以在沒有能量輸入的情況下永恆旋轉，以前只是一個難以實現的理論。
如果永動機連接到發電廠的渦輪機，則可以給我們提供無限的電力。
（圖註：從最小原子的產生到遙遠黑洞的崩潰，一切都受熱力學定律的控制。熱力學第二定律從根本上為宇宙存在時間設定了極限，闡明了宇宙中的萬物為什麼終有一天會衰敗。）
熱力學四大定律是我們宇宙的基本物理規則之一，19世紀中期由物理學家和工程師共同提出，他們希望這些定律有助於提高蒸汽機的效率。
該定律解釋了溫度、能量和熵如何共同作用，創造和摧毀物質。宇宙中一切運動，從最小原子的產生到遙遠黑洞的崩潰，都受這四條定律的控制。
熱力學第二定律解釋了系統內能量如何轉化，從有效能量轉化為無效能量。
研究人員發現了該定律存在一個漏洞。
該定律解釋了為什麼我們手機和筆記本電腦需要充電，以及我們的太陽為什麼有一天會消失。
它表明了在一個封閉系統內能量不能無限循環重複，因此我們必須補充失去的能量。
（圖註：與需要燃料輸入的汽車發動機或需要太陽光的太陽能電池板的傳統機器不同，永動機可以在沒有能量輸入的情況下產生新能量，因此可以無限地產生能量。）
熱力學第二定律從根本上為我們宇宙的存在時間設定了極限，闡明了為什麼宇宙中的萬物終有一天會走向衰敗。
現在，阿貢國家實驗室的物理學家發現了一個小小的漏洞，可以讓科學家繞過熱力學第二定律，有可能讓我們研製出能產生無限能量的機器。
一些小型「永動機」已經由業餘工程師和物理學家製作出來並上傳到YouTube上，但它們大多是概念證明。
熱力學第二定律的基礎是熵不斷增加，而熵是衡量一個熱力學系統無序狀態的量度單位。
阿貢國家實驗室的研究人員聲稱，他們發現的漏洞可以繞過這個人們長期信奉的宇宙規則，允許熵以相反方向加速前進。
但這種現象只能小規模、局部和短時間內發生。
物理學家研究了與熱力學第二定律相關的統計概念——H定理。
H定理指出，在一個封閉系統中熵將總是均勻分布的，因此高熵區域（如溫室）中的粒子將總是流向低熵區域（如冷室），直到每個區域的熵均勻分布為止。
通常，科學家通過分析大群分子如何運動來評估H定理的影響，因為分析一個單分子的運動是非常複雜的。
但是，阿貢國家實驗室的研究團隊決定接受這一挑戰。
通過將量子信息理論應用於凝聚態物理學，該研究團隊提出了一個新的、量子水平的H定理，可以讀取單個分子而不是大群分子的運動路徑。
阿貢國家實驗室的Ivan Sadovskyy博士說：「這使我們能夠制定量子H定理，在記錄詳盡的量子物理過程與構成量子資訊理論的量子理論通道之間建立聯繫。」
在這個新的量子H定理模型中，一些分子被認為出現熵暫時減少的現象，從而粉碎了熱力學第二定律。
阿貢國家實驗室的研究團隊通過制定一個數學模型，進一步展示了如何創建一個暫時「負熵增益」的量子系統，換句話說，該系統的熵值出現減少。
該研究團隊的另一名成員Valerii Vinokur博士稱：「雖然違背第二定律是情況只是發生在局部範圍，但影響非常深遠。」
Vinokur博士補充說，這個發現最終「使打造一個局部的量子永動機成為可能」。
雖然這些量子永動機仍然是一種純粹的理論，但阿貢國家實驗室研究團隊的發現意味著人類朝著打造一臺真正永動機的目標前進了一大步。
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