幾年前，這個想法聽起來有點瘋狂：我們可以建立一臺打破傳統物理法則的引擎。

你會覺得這個想法很好，但是很天真。畢竟，發動機的效率是由熱力學控制的，這是物理學最堅實的支柱。這是你沒有辦法反駁的一套自然法則。

熱力學第一定律也就是能量守恆定律。它的本質是能量不能被創造或被破壞，而只是被傳遞。

熱力學第二定律熱量可以自發地從溫度高的物體傳遞到較冷的物體，但不可能自發地從溫度低的物體傳遞到溫度高的物體；不可能從單一熱源吸取熱量，並將這熱量完全變為功，而不產生其他影響。

在邁耶登船之前的20年左右，所謂的第二定律誕生了。此時，蒸汽機正在改造歐洲，它們的爐子和活塞正在推動工業革命。法國工程師薩迪卡諾不滿意這些蒸汽機的工作原理，並著手開發一種引擎。

他的重要見解是，在設備上，熱的東西總是溫暖的環境。例如，

卡諾在幾年後去世了，直到幾十年後德國物理學家魯道夫克勞修斯才注意到他的書。卡諾已經將熱量想象成一種稱為卡路里的失重物質，但克勞修斯知道這實際上與原子或分子移動的速度有關。這使他能夠用他稱之為熵的無序度量來重新構造卡諾的想法。想象一下，你有一個迅速移動的粒子的熱盒子和一個慢速移動的冷盒子。這是一種有序的安排，因為所有具有相似能量的粒子都在一起。但克勞修斯說，宇宙不喜歡低熵狀態。如果打開盒子，顆粒就會混合在一起。這導致他成為我們所知道的第二條法則：除非你投入一些工作來阻止它，否則熵自然會增加。

然而，在牛津大學的實驗室裡，我們可以看到一個引擎不理會這些定律。這是一臺功率相當大且複雜的機器，採用綠色激光和離子代替油和活塞。雖然前面還有很長的路要走，但我相信這樣的技術終有一天會到來。

更好，更高效的電腦將僅僅是一個開始。引擎也是代表新時代的先兆。為了建立它，我們不得不揭開一個被稱為量子熱力學的領域。

熱力學是描述溫度，熱量，能量和工作之間相互作用的理論。因此，它涉及幾乎所有的事情，從你的大腦到你的肌肉，汽車發動機到廚房攪拌機，星星到星系。它提供了一個基礎，我們可以根據這個基礎確定在宇宙中什麼樣的事情不會發生。如果你吃漢堡，你必須燃燒掉卡路里 - 或者變胖。放在桌子上時，咖啡永遠不會自發地變暖。隨著宇宙的膨脹，它在不久的將來將會冷卻，朝著熱死的方向前進。所有這些不可避免的事實都源於熱力學。

規則破碎機：牛津大學基於鑽石的量子熱機。

那麼，什麼樣引擎會打破現有的規則呢？它看起來像天上掉的餡餅。實際上，我們有一個引擎的名字，撇開熱力學。我們稱之為永動機，是科學騙子的代名詞。但實驗室這臺機器不是其中之一。它利用了一個偷偷摸摸但合法的漏洞：量子物理。

熱力學早於量子理論，1900年，德國物理學家馬克斯普朗克試圖理解一個假設的物體的特性，稱為黑體，吸收掉落在其上的所有輻射，然後再發射出去。他假設黑體輻射中的輻射能量是不連續的，只能取能量基本單位的整數倍，從而很好地解釋了黑體輻射的實驗現象。稱它們為量子。

這個飛躍幫助解釋了物理學中的許多小問題。但是當我們開始研究根據量子劇本表演的物體時，我們發現它們做了非凡的事情。最著名的例子之一是糾纏，當兩個粒子交織在一起時，就會立即干擾另一個粒子的性質。另一個例子是一個原子可以同時存在一個低能量和高能量的狀態，稱為疊加態。

這些行為打破了所有通常的動態規則。有沒有理由認為熱力學是不適應的？只有在過去五年左右，我們才有了探索這個問題的工具。參加德國弗萊堡高級研究學院的Tobias Schaetz的工作。2016年，他描述了一個觀察晶體內部離子的實驗。他給了他們一些能量，並觀察他們如何冷卻。與一杯逐漸冷卻的咖啡不同，離子似乎在一段時間內失去了能量，但隨後能量突然反彈回來。這證明了我們所懷疑的：經典熱力學的規則並不總是適用於量子世界。

不幸的是，要確定適用的定律是很棘手的。這是因為量子沒有經典熱力學概念（如熱或熵）的明顯等價物。它們是許多粒子運動的最終產物; 所以當你只處理一個或兩個粒子時，你該怎麼思考？

那麼，沒關係。無論如何，我認為我會製作熱量引擎的量子版本。

牛津大學的基於鑽石的量子熱機

2017年10月，牛津的Ian Walmsley和他的團隊描述了一個設想的實驗。在這款發動機中，有機分子被金剛石中的特殊腔體內的原子所捕獲。原子並未糾纏，而是處於高能態和低能態的疊加。當然，沃爾姆斯利和他的團隊看到，光的產生比經典熱力學更快。

目前還不完全清楚為什麼會這樣。研究者們預計這臺機器可以改進，他們對量子熱機的未來感到興奮。

新加坡國立大學的Gleb Maslennikov和他的同事們已經在試驗量子冰箱，並有希望表明它們也可能比傳統冰箱更有效率。

量子計算機，需要我們將組件靠得更近，這樣它們會過熱。所以更好的製冷正是我們所需要的。

如果您認為量子冰箱聽起來方便，請允許我介紹量子電池。名為Felix-Binder現在在新加坡的南洋理工大學（Nanyang Technological University）表示，量子電池的充電速度可能比普通電池快。

與傳統電池一樣，這些設備不會像傳統電池那樣移動離子，而是可以是帶電或不帶電。在經典熱力學下，用於給電池充電的能量隨著位數的增加而線性增加。但是如果讓它們糾纏在一起，完整電荷所需的能量將與其數量的平方根成比例。這意味著具有100萬比特的量子電池跟充電1000比特的傳統電池所需的時間完全相同。意大利熱那亞理工學院的Vittorio Pellegrini是一位研究人員，希望能在幾年內建成這樣的超級電池。

無辜的房間

量子熱力學甚至可以重塑時間流逝。沒有任何物理定律能夠證明自然過程不能倒退 - 除了熱力學的第二定律之外。它堅持熵必須增加，導致許多物理學家懷疑時間會不會什麼時候也發生熵變。

在經典術語中，熵是直觀的。例如，經典的熱力學說宇宙必須至少和它的零件一樣無序。這就好像是說，房子的整體混亂，也許被量化為整理房子所需的能源量，不能低於最不整潔的房間的混亂。

如果宇宙遵循量子熱力學的定律，這幅圖就會截然不同。誠然，我們並不確切知道這些是什麼。但是我們從量子理論方程中知道，宇宙無序的總量必須保持不變。另外，量子不確定性禁止我們獲得關於宇宙各個部分狀態的完整信息，這意味著有些部分可能比整體更混亂。

如果將整個宇宙視為一個整體，熵不會改變，所以沒有時間。但是我們看到熵在隨著時間滴答滴答的變化著，是不是有些我們看不到的地方——時間箭頭甚至有可能往相反的方向流動著。

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關鍵字: 牛津大學 建立 馬克斯·普朗克