作為文科僧的造小就承認，這篇東西太深了！怕是大部分人看完前三段就得兩眼發直。但造小就還是要鼓勵大家看完它，哪怕你從中學不到什么，也能因為頭腦發脹迅速入眠……
1824年，28歲的法國工程師薩迪·卡諾（Sadi Carnot）在其著作《論火的動力》中，提出了蒸汽機把熱量轉化為功的效率公式。熱量是一種任意發散的能量，而功是一種有序的能量，可以推動活塞或者使輪子轉動。卡諾驚訝地發現，理想熱機的效率只取決于熱源（通常是火）與冷源（通常是外部空氣）之間的溫差。卡諾意識到，功只不過是熱量從高溫物體向低溫物體自發傳遞的副產品。
八年后，卡諾因感染霍亂去世，未能看到他的效率公式發展成熱力學理論，也就是一套關于溫度、熱能、功、能量和熵之間相互作用的普遍規律。
熵是用來描述能量從高溫物體向低溫物體不斷擴散的一種量度。熱力學定律不僅適用于蒸汽機，也適用于其他一切事物，不管是太陽、黑洞、生命體，還是整個宇宙。這套理論是如此地簡單和普適，以至于愛因斯坦認為它可能“永遠不會被推翻”。
但從一開始，熱力學在自然科學理論中的地位就非常奇特。
“如果把物理學理論比喻成人，那么熱力學就是鄉間女巫。”物理學家利迪亞·德·里奧（Lídia del Rio）與合著者去年在《物理學學報A輯》上寫道，“其他理論覺得她有點古怪，本性和其他人有所不同，可大家都向她征求意見，沒有一個人敢反駁她。”
比方說，粒子物理學的標準模型試圖理解存在哪些物質，而熱力學定律只是描述哪些事情做得到，哪些做不到。不過，熱力學理論最奇特的一個地方在于，這些定律似乎具有主觀性。
總體來看，構成某種氣體的粒子似乎全都具有相同的溫度，因此無法做功，但經過更加細致的檢查，你可能會發現它們之間存在細微的溫差。正如19世紀物理學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋（James Clerk Maxwell）所說，“能量耗散的概念取決于我們的知識水平。”
近幾年，學界出現了一種對熱力學的革命性理解，利用量子信息理論來解釋這種主觀性。
量子信息理論描述了信息在量子系統中的擴散，德·里奧等人將該理論稱為“物理學理論中的孩童”。就像熱力學最初是為了改良蒸汽機一樣，當今的熱力學家正在琢磨量子機器的運作方式。收縮技術迫使他們把熱力學延伸到量子領域。（過去一年里，單離子熱機和三原子冰箱已首次得到實驗論證。）在量子學領域，溫度和功這樣的概念失去了往日的意義，經典定律未必適用。
熱力學家已經發現了新的量子版熱力學定律，達到基本粒子的級別。熱力學理論被重寫，這促使專家們在其主觀性質問題上，重塑熱力學基本概念，并揭示能量與信息之間時常令人意想不到的深層聯系。
這里的信息是指抽象的1和0，用以區分物理狀態、衡量知識水平。“量子熱力學”是一個正在形成的領域，有著廣闊的前景，但同時也令人困惑。
“我們正邁進熱力學的華麗新世界。”英國布里斯托大學物理學家、該領域佼佼者之一桑杜·波佩斯庫（Sandu Popescu）說，“雖然經典熱力學非常好，但現在，我們正從全新的角度來審視它。”
熵即不確定性
1867年，麥克斯韋在寫給物理學家彼得·泰特（Peter Tait）的一封信中，提出了一個著名的悖論，暗示了熱力學與信息之間的關系。這一悖論是關于熱力學第二定律，后者又稱“熵增定律”，亞瑟·愛丁頓（Arthur Eddington）爵士曾說，該定律“在自然定律中擁有至高無上的地位”。
根據第二定律，隨著能量從高溫物體向低溫物體的轉移，能量的有序性和有用性會越來越低，溫差也會消失。（還記得卡諾的發現嗎？你需要一個高溫物體和一個低溫物體才能做功。）火焰熄滅，咖啡變涼，宇宙邁向名為“熱寂”的同溫狀態，之后，將無功可做。
奧地利著名物理學家路德維希·玻爾茲曼（Ludwig Boltzmann）把能量分散和熵增加視為簡單的統計學問題：能量有很多途徑可以在系統中的粒子之間擴散，而不是只有少數幾種途徑，因此，隨著粒子的運動和相互作用，它們自然會趨向于能量越來越平衡的狀態。
但麥克斯韋在那封信中描述了一個思維實驗：一個具有超凡能力的生命體（后來被稱為“麥克斯韋妖”）利用其知識來降低熵，同時挑戰第二定律。
“麥克斯韋妖”知道氣體容器里每個分子的位置和速度，它用一道閘門把容器分隔成兩半，只允許速度快的分子通過閘門進入其中一邊，同時只允許速度慢的分子進入另一邊。這使氣體被分成冷熱兩個部分，導致能量集中，降低了總熵。曾經無用的氣體現在可以用來做功了。
麥克斯韋等人想知道，一條自然定律是否成立，怎么會取決于一個人對分子位置和速度的了解（或無知）？如果熱力學第二定律在主觀上取決于已知信息的多寡，那在什么樣的條件下，它才是成立的？
一個世紀之后，美國物理學家查爾斯·貝內特（Charles Bennett）以利奧·西拉德（Leo Szilard）和羅夫·蘭道爾（Rolf Landauer）的研究為基礎，解決了麥克斯韋提出的這一悖論，正式把熱力學與年輕的信息科學聯系在一起。
貝內特認為，“麥克斯韋妖”的知識存儲在其記憶中，如果要清除記憶，就需要做功。（1961年，蘭道爾計算得出，室溫環境下，至少需要2.9仄焦耳的能量才能讓計算機清除1比特的存儲信息。）
換言之，當“麥克斯韋妖”把氣體分成冷熱兩部分，降低氣體的熵時，它的大腦會消耗能量，產生的熵要比降低的熵更多。因此，氣體—“麥克斯韋妖”系統的總熵增加了，這也就符合了熱力學第二定律。
正如蘭道爾所言，這些發現表明，“信息是一個物理實體”。你擁有的信息越多，你能提取的功就越多。“麥克斯韋妖”之所以能從單一溫度的氣體中提取功，是因為它比普通人掌握更多的信息。
但物理學家得以深入探索其中的巨大影響，則是在半個世紀之后，而且還離不開量子信息理論的發展。這套理論是在研究量子計算機的過程中誕生的。
過去十年里，波佩斯庫和布里斯托大學的同事以及其他團隊聲稱，能量之所以從高溫物體向低溫物體擴散，是因為信息在粒子之間擴散。根據量子理論，粒子的物理性質是概率性的：它們不是處于1或者0的固定狀態，而是同時具有成為1的可能性和成為0的可能性。當粒子相互作用時，它們產生糾纏，把描述其兩種狀態的概率分布結合在一起。量子理論的一大核心是，信息（從概率上代表粒子狀態的1和0）永遠不會消失。（宇宙的當前狀態保留了關于以往的所有信息。）
但隨著粒子相互作用，變得日益糾纏，關于粒子個體狀態的信息得到擴散，并且被越來越多的粒子所共享。波佩斯庫和他的同事們認為，量子糾纏加劇的箭頭導致了熵的增加，這就是熱力學時間箭頭。按照他們的解釋，咖啡變涼，最后與室溫一致，是因為咖啡分子與空氣分子碰撞，致使編碼其能量的信息泄露，被周圍空氣共享。
把熵作為一種主觀量度來理解，這使得整個宇宙的進化不會丟失任何信息。即使宇宙的某些部分，比如咖啡、熱機和人，由于其量子信息擴散而出現熵增加，宇宙的總熵也永遠保持為零。
蘇黎世聯邦理工學院的雷納托·倫納（Renato Renner）教授認為，這是視角的一次巨大轉變。他說：“15年前，我們把熵看作熱力學系統的一個屬性。如今，在信息理論中，我們不再把熵看作是系統的一個屬性，而是描述系統的觀察者的一個屬性。”
“能量有兩種形式，即無用熱和有用功，這一觀點適用于蒸汽機。”倫納說，“而根據新的觀點，這兩種形式之間還存在一系列能量形式，對此，我們已經有所了解。”
“按照這種新的觀點，熵和熱力學不再那么神秘。”他說，“所以，相比以前的觀點，人們更喜歡這種新觀點。”
源于對稱性的熱力學
對于信息、能量與其他“守恒量”之間的關系，去年7月同時發表在《自然通訊》上的兩篇論文作出了新的闡述。其中一篇來自布里斯托大學的上述團隊，另一篇所屬的團隊，其成員包括倫敦大學學院教授喬納森·奧本海姆（Jonathan Oppenheim）。這兩支團隊都設想了一個假定的量子系統，把信息作為一種貨幣，以實現物質資源之間的互換。
想象有一個巨大的容器，或者說熱源，里面的粒子既擁有能量，也擁有角動量（它們既在移動也在旋轉）。該熱源與一個砝碼和一個轉動的轉盤相連，砝碼需要能量才能舉起，轉盤則需要角動量才能加速或減慢。
正常來說，按照卡諾的發現（同時需要高溫熱源和低溫熱源才能做功），單一熱源無法做功。但研究人員發現，一個包含了多種守恒量的熱源會遵循不同的規則。波佩斯庫說，“如果有兩種不同的守恒量，比如能量和角動量，那么只要一個熱源同時包含此二者，它們就能進行轉換。”
在假定的砝碼-熱源-轉盤系統中，當轉盤減速時，砝碼被舉起。反過來，當砝碼下降時，轉盤加速轉動。
研究人員發現，描述粒子能量和旋轉狀態的量子信息如同一種貨幣，實現了熱源能量與角動量之間的轉換。守恒量在量子系統中可以彼此轉換，這是一種全新的觀點。
它也許表明，我們需要一種更加完善的熱力學理論，不僅可以描述能量的流動，還能描述宇宙中所有守恒量之間的相互作用。
奧本海姆說，到目前為止，熱力學以研究能量為主，這或許是環境所決定的，而不是本來就如此。如果當時有需要，卡諾及其后繼者在提出熱機理論的同時，可能也會發展出一套關于角動量流動的熱力學理論。
波佩斯庫說，他和同事們“把量子力學逼到了墻角”。一些認識正變得越來越清晰。今年3月，波佩斯庫談到了一個新的思維實驗，它說明了信息與其他守恒量之間的區別，以及對稱性如何把它們區分開。
“假如你和我住在相距遙遠的不同星球上。”他說。假設波佩斯庫想告訴你，如何才能找到他所在的星球，但唯一的問題是，這不可能做到。“我可以把哈姆雷特的故事發給你，但我無法為你指明方向。”
用一串純粹而沒有方向性的1和0，是無法表示彼此星球的位置的，因為“自然界沒有為我們提供一個通用的參照系。”波佩斯庫說。
如果有通用的參照系——比如宇宙結構中到處都是箭頭，指示宇宙的運動方向——這會違反“旋轉不變性”，也就是宇宙的一種對稱性。如果和宇宙的運動一致，轉盤會開始加速轉動，角動量似乎會不再守恒。
20世紀初的數學家艾米·諾特（Emmy Noether）發現，每種對稱性都對應著一個守恒定律：宇宙的旋轉對稱性反映了角動量的守恒。波佩斯庫的思維實驗表明，之所以無法用信息來表示空間方向，這“可能與角動量守恒定律有關”。
宇宙中的一切并不是都可以用信息來表示，要理解這一點，就要尋找關于自然界的更基本描述。
近年來，許多理論學家開始認為，時空（宇宙的彎曲結構）以及其中的物質與能量，可能是一幅源自量子信息糾纏網絡的全息圖。奧本海姆說，“我們必須格外注意，因為信息的行為方式不同于其他的物理性質，比如時空。”
了解這些概念之間的邏輯聯系，有助于物理學家研究黑洞。黑洞是一種能夠吞噬時空的神秘天體，具有溫度和熵，并能以某種方式發出信息。
“關于黑洞，最重要的一個問題就是它的熱力學。”波佩斯庫說，“但黑洞的熱力學非常復雜，不止是傳統的熱力學那么簡單。對于熱力學，我們正在形成一套全新的認識。而這些新的認識最終將用于研究黑洞，這一點毋庸置疑。”
哪些理論知識才對技術專家有用
英國埃克塞特大學的量子信息科學家珍妮特·安德斯（Janet Anders）采取了技術驅動的方法來理解量子熱力學。“如果我們不斷深入，我們會到達一個我們還沒有找到強大理論來解釋的領域。”安德斯說，“問題在于，對于該領域，我們需要知道一些什么，才能為技術專家提供有用的信息？”
2012年，安德斯等人在歐洲創建了一家研究機構，專門研究量子熱力學。該機構目前擁有300名成員。研究者希望發現量子熱機和量子冰箱的量子躍遷機制，這以后可以用來驅動或冷卻計算機，或者用于太陽能面板、生物工程和其他領域。
如今，研究人員已經對量子熱機的性能有了更深入的了解。2015年，以色列希伯來大學的拉姆·烏茲丁（Raam Uzdin）和同事們計算得出，量子熱機的性能超過了傳統熱機。這些概率性熱機仍然遵守卡諾關于熱量轉化為功的效率公式，但有時，它們做功的速度要快得多，從而擁有更強的功率。
波佩斯庫、奧本海姆、倫納等人也在探索更具體的發現。今年3月，奧本海姆和博士后研究員路易斯·馬薩內斯（Lluis Masanes）發表了一篇論文，利用量子信息理論推導出熱力學第三定律，也就是“不可能達到絕對零度”這一定律。
他們的研究顯示，阻止你達到絕對零度的“冷卻速度限制”，是因為在有限大小的物體中，信息從粒子中傳遞出來的速度存在限制。這種速度限制可能關系到量子冰箱的冷卻能力。2015年，奧本海姆和同事的研究顯示，在量子領域，熱力學第二定律已被一系列新的第二“定律”所取代——對于定義了粒子物理狀態的概率分布（包括在量子熱機內部）,它將如何演化，這些“定律”都做出了限制。
隨著量子熱力學領域的快速發展，各種各樣的方法和發現層出不窮，對此，一些傳統熱力學家不以為然。
德國奧格斯堡大學的彼得·漢吉（Peter H?nggi）就是一位直言不諱的批評者，他認為，研究量子計算的人夸大了信息的重要性，誤把宇宙當成一個巨大的量子信息處理器，而不是一個物質實體。他指責量子信息理論家將熱力學的熵與信息理論的熵混為一談，把后者用于并不適用的領域。漢吉說，“麥克斯韋妖”令他感到不安。
雖然漢吉的批評言論被認為過于保守，但其他熱力學家指出，他的某些觀點不無道理。
例如，量子信息理論家提出了抽象的量子機概念，他們想知道這些系統能否做功，但他們有時卻繞開了如何才能讓量子系統做功的問題，因為一旦觀測量子，就會破壞同時存在的量子概率。安德斯和她的同事已開始利用關于量子功提取和儲存的新想法，來解決這一問題。不過，理論文獻依然所處可見。
“很多激動人心的發現已經擺在桌面上，只是有點亂。我們需要把它們整理好。”新加坡國立大學量子信息理論家、熱力學家瓦勒里奧·斯卡萊尼（Valerio Scarani）說，“我們需要融會貫通。還需要知道，你的觀點在這里適合，而我的觀點在那里適合。我們對功有八種定義，也許我們應該想辦法弄清楚，哪種定義在什么情況下是正確的，而不是提出功的第九種定義。”
對于宇宙的物質性遭到低估的風險，奧本海默和波佩斯庫完全同意漢吉的看法。“對于那些認為一切皆是信息的信息理論家，我是很警惕的。”奧本海默說，“當蒸汽機誕生，熱力學蓬勃發展的時候，曾有人認為宇宙就是一個巨大的蒸汽機，但實際情況比這復雜得多。”他之所以對量子熱力學著迷，是因為“你有兩個基本的量——能量和量子信息——它們結合在了一起。對我來說，這就是量子熱力學充滿吸引力的原因。”
翻譯：于波
來源：Quanta Magazine
