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(fā)直,。但造小就還是要鼓勵大家看完它,，哪怕你從中學(xué)不到什么，也能因為頭腦發(fā)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(zhuǎn)化為功的效率公式。熱量是一種任意發(fā)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(zhuǎn)動,。卡諾驚訝地發(fā)現(xiàn),，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(fā)傳遞的副產(chǎn)品,。

八年后，卡諾因感染霍亂去世,，未能看到他的效率公式發(fā)展成熱力學(xué)理論,，也就是一套關(guān)于溫度、熱能,、功,、能量和熵之間相互作用的普遍規(guī)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(xué)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(xué)在自然科學(xué)理論中的地位就非常奇特,。

“如果把物理學(xué)理論比喻成人，那么熱力學(xué)就是鄉(xiāng)間女巫,?！蔽锢韺W(xué)家利迪亞·德·里奧（Lídia del Rio）與合著者去年在《物理學(xué)學(xué)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,?！?/span>

比方說，粒子物理學(xué)的標準模型試圖理解存在哪些物質(zhì),，而熱力學(xué)定律只是描述哪些事情做得到,，哪些做不到。不過,，熱力學(xué)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(gòu)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(jīng)過更加細致的檢查,，你可能會發(fā)現(xiàn)它們之間存在細微的溫差,。正如19世紀物理學(xué)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,?！?/span>

近幾年，學(xué)界出現(xiàn)了一種對熱力學(xué)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(tǒng)中的擴散，德·里奧等人將該理論稱為“物理學(xué)理論中的孩童”,。就像熱力學(xué)最初是為了改良蒸汽機一樣,，當今的熱力學(xué)家正在琢磨量子機器的運作方式。收縮技術(shù)迫使他們把熱力學(xué)延伸到量子領(lǐng)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(xué)領(lǐng)域,，溫度和功這樣的概念失去了往日的意義,，經(jīng)典定律未必適用。

熱力學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了新的量子版熱力學(xué)定律,，達到基本粒子的級別,。熱力學(xué)理論被重寫，這促使專家們在其主觀性質(zhì)問題上,，重塑熱力學(xué)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(lián)系。

這里的信息是指抽象的1和0,，用以區(qū)分物理狀態(tài),、衡量知識水平?！傲孔訜崃W(xué)”是一個正在形成的領(lǐng)域,，有著廣闊的前景，但同時也令人困惑,。

“我們正邁進熱力學(xué)的華麗新世界,。”英國布里斯托大學(xué)物理學(xué)家,、該領(lǐng)域佼佼者之一桑杜·波佩斯庫（Sandu Popescu）說,，“雖然經(jīng)典熱力學(xué)非常好,，但現(xiàn)在，我們正從全新的角度來審視它,?！?/span>

熵即不確定性

1867年，麥克斯韋在寫給物理學(xué)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(xué)與信息之間的關(guān)系。這一悖論是關(guān)于熱力學(xué)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(jù)第二定律,，隨著能量從高溫物體向低溫物體的轉(zhuǎn)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(fā)現(xiàn)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(tài),，之后,，將無功可做。

奧地利著名物理學(xué)家路德維?！げ柶澛↙udwig Boltzmann）把能量分散和熵增加視為簡單的統(tǒng)計學(xué)問題：能量有很多途徑可以在系統(tǒng)中的粒子之間擴散,，而不是只有少數(shù)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(tài)。

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(zhàn)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(dǎo)致能量集中,，降低了總熵。曾經(jīng)無用的氣體現(xiàn)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(xué)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(xué)家查爾斯·貝內(nèi)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(chǔ)，解決了麥克斯韋提出的這一悖論,，正式把熱力學(xué)與年輕的信息科學(xué)聯(lián)系在一起,。

貝內(nèi)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(huán)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(chǎn)生的熵要比降低的熵更多。因此,，氣體—“麥克斯韋妖”系統(tǒng)的總熵增加了,，這也就符合了熱力學(xué)第二定律。

正如蘭道爾所言,，這些發(fā)現(xiàn)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(xué)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(fā)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(xué)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(jù)量子理論,，粒子的物理性質(zhì)是概率性的：它們不是處于1或者0的固定狀態(tài)，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(chǎn)生糾纏，把描述其兩種狀態(tài)的概率分布結(jié)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(tài)的1和0）永遠不會消失。（宇宙的當前狀態(tài)保留了關(guān)于以往的所有信息,。）

但隨著粒子相互作用,，變得日益糾纏，關(guān)于粒子個體狀態(tài)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(dǎo)致了熵的增加,，這就是熱力學(xué)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(xiàn)熵增加,，宇宙的總熵也永遠保持為零。

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的雷納托·倫納（Renato Renner）教授認為,，這是視角的一次巨大轉(zhuǎn)變,。他說：“15年前,，我們把熵看作熱力學(xué)系統(tǒng)的一個屬性。如今,，在信息理論中,，我們不再把熵看作是系統(tǒng)的一個屬性,，而是描述系統(tǒng)的觀察者的一個屬性?！?/span>

“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(jù)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(jīng)有所了解?！?/span>

“按照這種新的觀點,，熵和熱力學(xué)不再那么神秘,?！彼f,，“所以,，相比以前的觀點，人們更喜歡這種新觀點,?！?/span>

源于對稱性的熱力學(xué)

對于信息,、能量與其他“守恒量”之間的關(guān)系,，去年7月同時發(fā)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(xué)的上述團隊,，另一篇所屬的團隊，其成員包括倫敦大學(xué)學(xué)院教授喬納森·奧本海姆（Jonathan Oppenheim）。這兩支團隊都設(shè)想了一個假定的量子系統(tǒng)，把信息作為一種貨幣,，以實現(xiàn)物質(zhì)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(zhuǎn)）,。該熱源與一個砝碼和一個轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)盤相連,，砝碼需要能量才能舉起，轉(zhuǎn)盤則需要角動量才能加速或減慢,。

正常來說,，按照卡諾的發(fā)現(xiàn)（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(fā)現(xiàn),，一個包含了多種守恒量的熱源會遵循不同的規(guī)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(zhuǎn)換,?！?/span>

在假定的砝碼-熱源-轉(zhuǎn)盤系統(tǒng)中，當轉(zhuǎn)盤減速時,，砝碼被舉起,。反過來，當砝碼下降時,，轉(zhuǎn)盤加速轉(zhuǎn)動,。

研究人員發(fā)現(xiàn)，描述粒子能量和旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的量子信息如同一種貨幣,，實現(xiàn)了熱源能量與角動量之間的轉(zhuǎn)換。守恒量在量子系統(tǒng)中可以彼此轉(zhuǎn)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(xué)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(xué)以研究能量為主，這或許是環(huán)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(fā)展出一套關(guān)于角動量流動的熱力學(xué)理論,。

波佩斯庫說，他和同事們“把量子力學(xué)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(qū)別,，以及對稱性如何把它們區(qū)分開,。

“假如你和我住在相距遙遠的不同星球上?！彼f,。假設(shè)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?！拔铱梢园压防滋氐墓适掳l(fā)給你,，但我無法為你指明方向?！?/span>

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,?！?/strong>波佩斯庫說。

如果有通用的參照系——比如宇宙結(jié)構(gòu)中到處都是箭頭,，指示宇宙的運動方向——這會違反“旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)盤會開始加速轉(zhuǎn)動,，角動量似乎會不再守恒。

20世紀初的數(shù)學(xué)家艾米·諾特（Emmy Noether）發(fā)現(xiàn),，每種對稱性都對應(yīng)著一個守恒定律：宇宙的旋轉(zhuǎn)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(guān)”,。

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(guān)于自然界的更基本描述,。

近年來，許多理論學(xué)家開始認為,，時空（宇宙的彎曲結(jié)構(gòu)）以及其中的物質(zhì)與能量,，可能是一幅源自量子信息糾纏網(wǎng)絡(luò)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(zhì),，比如時空,?！?/span>

了解這些概念之間的邏輯聯(lián)系，有助于物理學(xué)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(fā)出信息,。

“關(guān)于黑洞,，最重要的一個問題就是它的熱力學(xué)?！辈ㄅ逅箮煺f,，“但黑洞的熱力學(xué)非常復(fù)雜，不止是傳統(tǒng)的熱力學(xué)那么簡單,。對于熱力學(xué),，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(shù)專家有用

英國?？巳卮髮W(xué)的量子信息科學(xué)家珍妮特·安德斯（Janet Anders）采取了技術(shù)驅(qū)動的方法來理解量子熱力學(xué),。“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(lǐng)域,。”安德斯說,，“問題在于,，對于該領(lǐng)域，我們需要知道一些什么,，才能為技術(shù)專家提供有用的信息,？”

2012年，安德斯等人在歐洲創(chuàng)建了一家研究機構(gòu),，專門研究量子熱力學(xué),。該機構(gòu)目前擁有300名成員。研究者希望發(fā)現(xiàn)量子熱機和量子冰箱的量子躍遷機制,，這以后可以用來驅(qū)動或冷卻計算機,，或者用于太陽能面板、生物工程和其他領(lǐng)域,。

如今,，研究人員已經(jīng)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(xué)的拉姆·烏茲?。≧aam Uzdin）和同事們計算得出,，量子熱機的性能超過了傳統(tǒng)熱機。這些概率性熱機仍然遵守卡諾關(guān)于熱量轉(zhuǎn)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(fā)現(xiàn),。今年3月,，奧本海姆和博士后研究員路易斯·馬薩內(nèi)斯（Lluis Masanes）發(fā)表了一篇論文，利用量子信息理論推導(dǎo)出熱力學(xué)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(guān)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(lǐng)域,，熱力學(xué)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(tài)的概率分布（包括在量子熱機內(nèi)部）,它將如何演化,，這些“定律”都做出了限制。

隨著量子熱力學(xué)領(lǐng)域的快速發(fā)展,，各種各樣的方法和發(fā)現(xiàn)層出不窮,，對此，一些傳統(tǒng)熱力學(xué)家不以為然,。

德國奧格斯堡大學(xué)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(zhì)實體。他指責量子信息理論家將熱力學(xué)的熵與信息理論的熵混為一談,，把后者用于并不適用的領(lǐng)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(xué)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(tǒng)能否做功,，但他們有時卻繞開了如何才能讓量子系統(tǒng)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(guān)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(fā)現(xiàn)已經(jīng)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(xué)量子信息理論家,、熱力學(xué)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(yīng)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,?！?/span>

對于宇宙的物質(zhì)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,?！皩τ谀切┱J為一切皆是信息的信息理論家，我是很警惕的,?！眾W本海默說，“當蒸汽機誕生,，熱力學(xué)蓬勃發(fā)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(fù)雜得多,?！彼詫α孔訜崃W(xué)著迷，是因為“你有兩個基本的量——能量和量子信息——它們結(jié)合在了一起。對我來說,，這就是量子熱力學(xué)充滿吸引力的原因,。”

翻譯：于波