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热力学的量子革命:信息是数学的但万物都是信息吗?

更新时间:2023-10-10 文章作者:佚名 信息来源:网络整理 阅读次数:

麦克斯韦等人很好奇:自然定理如何会依赖于某个生物是否晓得分子的位置和速率呢?假如热力学第二定理主观地取决于一个人拥有的信息,这么在哪些情况下它才创立呢?56A物理好资源网(原物理ok网)

一个世纪以后,法国化学学家在Leo和Rolf的工作的基础上,通过将热力学和年青的信息科学联系上去解决了这个悖论。觉得妖精的信息储存在它的记忆中,而记忆须要更新和消除,这都会消耗功。(在1961年,估算出笔记本在温度下消除一比特信息须要2.9zJ的能量。注:1zJ=10-21J)换句话说,当妖精将二氧化碳分成冷热两部份、降低二氧化碳熵的同时,它的脑部须要消耗能量,形成更多的熵来进行补偿。对于二氧化碳和妖精构成的总系统,熵一直是降低的,满足热力学第二定理。56A物理好资源网(原物理ok网)

就像所说,这个发觉阐明出“信息是化学的”。你所拥有的信息越多,你能“释放”功的潜力也越大。麦克斯韦妖可以强行让单一气温的二氧化碳做功,正是由于他比常人拥有更多信息。56A物理好资源网(原物理ok网)

美丽新世界:当热力学遇上量子信息论56A物理好资源网(原物理ok网)

近年来出现了一种对于热力学的革命性理解,它用描述量子系统间信息传播的量子信息论来解释这些主观性。正如热力学最初诞生于改进蒸气机的尝试中,明日的热力学家正在认真考虑量子机器的做功。过去几年来,单粒子引擎和三原子“冰箱”都在实验中得到实现,“微缩”技术正在促使热力学家将精典的热力学扩充到量子领域——温度、功等概念都不再具有一般的意义,而精典的热力学定理也可能不再适用。56A物理好资源网(原物理ok网)

早已发觉的量子版本热力学定理能在尺度减小时会回到精典的方式。自下而上地重画理论早已引导热力学家根据理论的主观性来构建基本概念,而且揭示了能量和信息间深刻而又惊人的关系。这儿的信息是指通过具象的1和0来分辨化学态、衡量储存的信息量。“量子热力学”是一个新兴领域,它的特征是:丰富且混乱。56A物理好资源网(原物理ok网)

量子热力学研究领域的先驱,格拉斯哥学院化学学家Sandu觉得,“我们正在步入热力学的美丽新世界。”在谈到精典热力学的时侯,他说:“刚诞生的时侯它还特别好用,然而如今我们正在用一种全新的形式来看待它。”56A物理好资源网(原物理ok网)

在过去的几六年中,和他的朋友、以及其他一些研究组论证,能量从低温物体传到高温物体是由粒子间信息传播的形式决定的。依照量子理论,粒子的化学性质是“概率性的”():它们不是绝对的1或0,而是同时具有一定几率为1?一定几率为0。当粒子互相作用的时侯,它们也可以发生纠缠,致使描述它们状态的机率分布彼此关联。量子理论的一个中心支柱就是信息——也就是表示粒子态的、概率性的这些1和0,永远不会遗失。56A物理好资源网(原物理ok网)

但是一段时间后,随着粒子互相作用、纠缠程度越来越大,关于它们各自状态的信息都会扩散并被搅乱,在越来越多的粒子之间共享。等人相信,量子纠缠下降的箭头代表着预期的熵增——也就是时间的热力学箭头。例如一杯奶茶冷却到温度,是因为奶茶分子和空气分子相互碰撞,记录着它们能量的信息会泄漏出去并被周围的空气分享。56A物理好资源网(原物理ok网)

量子物理三大理论量子纠缠观察者原理_量子纠缠物理学概念_量子纠缠原理举例56A物理好资源网(原物理ok网)

将熵理解为某种主观的量度量子物理三大理论量子纠缠观察者原理,宇宙整体的演进便不会遗失信息。虽然宇宙的个别部份(例如奶茶、引擎和人)会随着量子信息的稀释而经历熵增,宇宙整体的熵永远保持为0。56A物理好资源网(原物理ok网)

英国的格拉斯哥联邦理工大学的院长觉得这是观念上的巨大转变。十五年前,“我们觉得熵是热力学系统的一种属性,”他说,“而在目前的信息论中,我们觉得熵并非系统的属性,而是描述系统的观测者的属性。”56A物理好资源网(原物理ok网)

遥远行星上的小王子:“我可以告诉你哈姆雷特的故事,而且我没办法跟你说明一个方向。”56A物理好资源网(原物理ok网)

2016年7月发表在《自然通信》上的两篇论文,为信息、能量和其它“守恒量”(可以转换但绝不会消失的数学量)之间的关系指明了新的方向。其中一篇是的团队发表的,而另一篇则是由巴黎学院大学的所在的团队发表的。两个团队都设想了一种量子系统,它将信息当做一种货币来跟其它愈发物质化的资源进行交换。56A物理好资源网(原物理ok网)

想像一个装有粒子的巨大容器,上面的粒子同时具有能量和角动量,也就是说,它们一边到处闲逛,一边发生自转。这个容器跟一个重物以及一个转盘相联接,重物须要消耗能量来提高,而转盘须要通过调节角动量来推动或减低转动。通常来说,单靠这个容器不能做功,由于没有温差。但是研究者发觉,对于包含多个守恒量的容器,情况有所不同。“如果存在两个分别守恒的数学量,例如能量和角动量”说,“那么只要你有一个包含两者的大’泳池’,就可以用其中一个量来换取另外一个。”56A物理好资源网(原物理ok网)

在这个假想的重物-容器-转盘系统中,转盘减速时重物会被提高,等价地,放低重物会让转盘加速。研究者发觉,描述粒子的能量和角动量状态的量子信息可以作为一种货币,它促使能量和角动量供给之间才能发生交换。量子系统中守恒量之间可以相互交换的概念是全新的。这其实暗示了我们须要一个愈发完备的热力学理论,这个理论除了能描述能量的流动,能够描述宇宙中所有守恒量之间的互相影响。56A物理好资源网(原物理ok网)

在八月中的某次电话大会中,讨论了一个新的理想实验,它揭示了信息和其它守恒量之间的区别,而且强调自然中的对称性怎么将它们分开。56A物理好资源网(原物理ok网)

假定你和生活在遥远星体中的不同行星上,他想告诉你向那里看可以找到他的星球,但这在数学上是不可能的:“我可以告诉你哈姆雷特的故事。而且我没办法跟你说明一个方向。”56A物理好资源网(原物理ok网)

一段无方向、完全由0和1组成的字符串难以描述对方银河的方向,而这是由于“大自然并没有给我们提供一个普适的参照系。”说。如果有的话——例如宇宙中的每位点都带有一个小箭头来指明该点的运动方向——这还会破坏宇宙的“转动不变性”。当转盘跟宇宙的转动方向一致时,转盘都会转得更快,角动量便不守恒了。20世纪初期,物理家Emmy(诺特)证明,每位对称性就会带来一条守恒定理:宇宙的转动对称性反映了角动量是守恒的。觉得这个思想实验表明了用信息来解释空间方向是不可能的,这“或许和守恒定理有关,”他说。56A物理好资源网(原物理ok网)

量子纠缠原理举例_量子纠缠物理学概念_量子物理三大理论量子纠缠观察者原理56A物理好资源网(原物理ok网)

我们虽然不能用信息来描述关于宇宙的一切,这和对自然的更基本描述的研究息息相关。近年来,好多理论化学学家开始相信,时空和其中的物质、能量可能是纠缠的量子信息网路形成的全息图。“我们必需要当心,”说,“因为信息表现得跟其它的化学属性,例如时空,迥然不同。”56A物理好资源网(原物理ok网)

了解这种概念之间的逻辑联系也能帮助化学学家推测黑洞内部的性质。黑洞是一种神秘的物体,它具有体温和熵,但是会以某种形式幅射信息。“黑洞最重要的性质之一就是它的热力学,”说,“但是由于黑洞十分复杂,你们如今讨论的黑洞热力学大多仍是传统热力学。我们正在发展一种全新的研究视角,新工具必将会被用于黑洞研究。”56A物理好资源网(原物理ok网)

量子机器:万物都是信息吗?56A物理好资源网(原物理ok网)

埃克塞特学院(of)的量子信息科学家Janet采用技术驱动的方式来理解量子热力学。“如果尺度显得越来越小,我们将步入仍未完全理解的领域,”说,“问题在于,我们须要晓得关于这个领域的什么东西?”56A物理好资源网(原物理ok网)

2012年,设想并和朋友共同成立了一个如今拥有300名成员的法国量子热力学研究网路。她希望你们就能一起努力,发觉“主宰”量子引擎和制热机的量子相变的规律。这种规律其实在将来的某日能驱动或冷却计算机,用于太阳能电板板、生物工程等领域。研究人员如今对量子引擎的功能有了更好的理解。在2015年,RaamUzdin和耶路撒冷希伯来学院(of)的朋友通过估算发觉,量子引擎的性能比精典引擎更高。在才能从高低温物体间传递的能量中“提取”多少功的问题上,量子引擎的做功效率仍然满足卡诺公式,并且它们有时可以更快量子物理三大理论量子纠缠观察者原理,因而功率更高。56A物理好资源网(原物理ok网)

,,和她们的团队也在追求愈加具体的发觉。2017年3月,和他的博士后研究员Lluis发表了一篇用量子信息理论导入热力学第三定理的论文。热力学第三定理强调,绝对零度是不可能抵达的。这仍然以来都令人疑惑。团队的新研究表明,制止我们抵达绝对零度的“冷却速率极限”来始于,从一个有限大小物体的组成粒子中抽取信息的速率极限。2017年一月发布在预印本上的一项研究强调,这个速率极限可能和量子制热机的冷却能力有关。2015年,及朋友证明了,在量子尺度上,热力学第二定理会被一个愈发完整的方式所取代。新定理对定义粒子化学态的机率分布怎样演变作出了约束,这在量子引擎中同样适用。56A物理好资源网(原物理ok网)

随着量子热力学这一领域的快速发展,一系列的进展和发觉接连出现。在一些传统的热力学家看来,形势一片混乱。来自英国南安普顿学院的PeterH?nggi坦承不讳地批评说,信息的重要性被这些从事量子估算的人过份吹捧了。他觉得这种人错误地将宇宙当作一个巨大的量子信息处理器,而不是数学实体。他将此怪罪于量子信息学家将不同种类的熵——热力学熵和信息理论的熵——搞混了,而且将前者用在它并不适用的地方。麦克斯韦妖“让我倍感烦躁,”H?nggi说。当被问起的新版热力学第二“定律”时,他说:“你晓得为何我的血糖要下降了吧。”56A物理好资源网(原物理ok网)

尽管H?nggi的批评看上去过分迂腐了(量子信息学家确实在研究热力学熵和信息理论的熵之间的联系),但其他的热力学家觉得他确实提出了一些可靠的论据。目前看来,当量子信息学家想像具象的量子机器,并研究能够从中提取功的时侯,她们有时会回避这样一个问题:在对量子系统进行检测的同时,我们会“摧毁”它的量子机率,这样一来,我们到底该怎么从量子系统中提取功?等人近来早已开始借助关于提取、存储量子功的新看法来处理这个问题。不过相关的理论研究并不稀少。56A物理好资源网(原物理ok网)

“很多令人激动的事情被一起摆在台面上,这变得有些混乱;我们须要把它们理顺。”来自美国国立学院的量子信息学家、热力学家如是说。“我们须要对这种看法进行’整理’,理解它们分别适用于什么领域。我们有八种功的定义,如今我们应当试着强调哪一个定义在哪一种情形下正确,而不仅仅是想出第九种定义。”56A物理好资源网(原物理ok网)

在忽略宇宙的物质性会存在风险这一点上,和完全赞成H?nggi的观点。“我很提防这些相信万物都是信息的理论家。”说,“在蒸气机被发明、热力学全面发展时,就曾有人假定宇宙是一个巨大的蒸气机。”实际上,宇宙“比那要混乱得多。”而对于量子热力学,他表示,当能量遇上量子信息,一个优美的理论便诞生了。56A物理好资源网(原物理ok网)

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