博科園-科學科普：物理學類熵的產生，即系統無序程度的增加，是熱力學第二定律在宏觀世界的必然趨勢。這使得經典物理學所描述過程是不可逆的，並由此引申出時間流的方向。然而，這種趨勢並不一定適用於由量子力學控制的微觀世界。量子物理定律在時間上是可逆的，所以在微觀世界中，現象的流動沒有優先的方向。當代科學研究最重要的目標之一就是準確地知道從量子世界到經典世界的轉變發生在哪裡，以及為什麼會發生——換句話說，就是找出是什麼使得熵的產生佔主導地位。這一目標解釋了目前研究介觀系統的興趣所在，介觀系統不像單個原子那麼小，但卻表現出明確的量子行為。
博科園-科學科普：來自巴西和其他地方的研究人員的一項新的實驗研究為這一領域做出了重要貢獻，一篇關於它的研究論文最近發表在《物理評論快報》上。聖保羅大學物理研究所(IF-USP)教授加布裡埃爾·特謝拉·蘭蒂(Gabriel Teixeira Landi)說我們研究了兩種系統：一種是玻色-愛因斯坦凝聚體，其中10萬個原子被限制在一個腔內；另一種是驗光機腔，它將光線限制在兩個鏡子之間。Landi是負責為這兩個實驗開發熵的產生與可測量量相關的理論模型科學家之一。該研究由聖保羅研究基金會- fapesp資助。瑞士聯邦理工學院(ETH Zurich)研究了玻色-愛因斯坦凝聚態，奧地利維也納大學(University of Vienna in Austria)研究了腔式驗光儀。
當兩個量子諧振子(綠色)在不同的溫度下耦合到兩個熱浴時，得到的靜止狀態的說明。在這種情況下，熱量會從高溫熱源流向低溫熱源，表現出不可逆的行為。之所以選擇本研究中描述的實驗，是因為它們在概念上類似於這種簡化情況。圖片：Gabriel Teixeira Landi
玻色-愛因斯坦凝聚態通常被稱為「物質的第五種狀態」(其他四種狀態是固體、液體、氣體和等離子體)，它是在一組原子冷卻到幾乎為絕對零度時形成。在這些條件下，粒子不再具有相對移動的自由能，其中一些粒子進入相同的量子態，彼此之間變得難以區分。原子遵循所謂的玻色-愛因斯坦統計，這通常適用於相同的粒子。在玻色-愛因斯坦凝聚態中，整個原子群表現為一個粒子。驗光師腔基本上是一個光阱。在這個特殊的例子中，其中一個鏡子是由能夠機械振動的納米薄膜組成。因此，實驗涉及到光和機械振動之間的相互作用。在這兩個系統中，都有兩個熱源，一個是熱的，另一個是冷的，這樣熱量就可以從一個熱源流向另一個熱源。
這兩種情況都顯示出不可逆過程的特徵，因此熵增加。此外，由於量子效應，它們表現出不可逆性，這些實驗使經典效應與量子漲落有了明顯的區別。這方面研究的主要困難是熵的產生不能直接測量。因此，在有關的實驗中，科學家們不得不在熵的產生和其他信號不可逆性和直接可測量現象之間建立一種理論關係。在這兩種情況下，他們都選擇測量從空腔中洩漏出來的光子，並故意使用半透明的鏡子讓一些光逃逸出來。測量了腔內光子的平均數量以及振動鏡的力學變化。在兩個實驗中，量子漲落都增加了不可逆性，這是一個違反直覺的發現。它不一定是可以推廣。它發生在這兩種情況下，但在其他情況下可能無效。我把這兩個實驗看作是在這種平臺上重新思考熵的初步嘗試。例如，他們為用更少的銣原子或更小的光學腔進行進一步實驗打開了大門。
信息丟失與無序
在最近的一項理論研究中，Landi展示了經典漲落(原子和分子的振動，產生熱能)和量子漲落是如何同時發生，而不一定會導致相同的結果，這項研究是這兩個新實驗的先驅。冷凝液和光圍腔都是介觀現象。然而，與其他介觀現象不同的是，由於受到環境的屏蔽，它們的量子特性得到了完美的保護。因此，它們提供了受控的情況，在這種情況下，經典和量子現象之間的熵產競爭可以非常清晰地觀察到。熵可以用多種方式來解釋，如果我們從信息的角度考慮，熵的增加意味著信息損失。從熱力學的觀點來看，熵衡量無序的程度。熵越大，系統的無序程度就越大。通過結合這兩種觀點，我們可以對這一現象有更全面的了解。
玻色-愛因斯坦凝聚態和光學腔都是所謂「量子模擬平臺」的例子。這些平臺使科學家能夠避開知識進步的一個主要障礙，因為自然界中有一些重要的系統存在描述性模型，但由於計算困難而無法對其進行預測。最著名的例子是高溫超導。沒有人了解某些材料能像超導體在液態氮的沸點(大約-196°C)。新平臺提供了可以模擬這些系統的量子設備。然而，它們以一種可控的方式這樣做，消除了所有複雜的因素，只關注感興趣的最簡單的現象。近年來，量子模擬的理念非常流行，模擬範圍從醫學中的重要分子到宇宙學中的關鍵結構。
博科園-科學科普｜研究/來自: FAPESPJosé Tadeu Arantes, FAPESP參考期刊文獻:《物理評論快報》論文DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.160604博科園-傳遞宇宙科學之美