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量子力学在原子尺度上超越热力学第二定律

发布时间：2025-10-17 11:03:27 阅读数： 81

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双振子量子引擎。

斯图加特大学的两位物理学家证明了卡诺原理（热力学的核心定律）不适用于物理性质相互关联的原子尺度物体（即所谓的关联物体）。这一发现有望推动微型节能量子发动机的研发。该推导结果发表在《科学进展》杂志上。

内燃机和蒸汽轮机都是热机：它们将热能转化为机械运动，或者换句话说，将热量转化为运动。近年来，量子力学实验成功地将热机的尺寸缩小到了微观范围。

斯图加特大学理论物理研究所第一研究所的埃里克·卢茨教授表示：“未来，不大于单个原子的微型发动机可能成为现实。现在也很明显，这些发动机可以实现比大型热机更高的最大效率?！?/p>

卢茨教授和理论物理第一研究所博士后研究员米尔顿·阿吉拉尔博士在他们的论文中解释了这一现象背后的原因。在本次采访中，两位科学家总结了他们的发现。

你到底发现了什么？

大约200年前，法国物理学家萨迪·卡诺（Sadi Carnot）确定了热机的最大效率?？ㄅ翟恚?/span>热力学第二定律，最初是为大型宏观物体而发展起来的。例如，这适用于蒸汽涡轮机。然而，我们现在已经能够证明，卡诺原理必须扩展到描述原子尺度的物体，例如强关联分子马达。

卡诺证明，温差具有决定性的影响：冷热温差越大，热机的最大效率就越高。然而，卡诺原理忽略了所谓的量子关联的影响。量子关联是在极小尺度上粒子之间形成的特殊键。

我们首次推导出了能够充分解释这些关联性的广义热力学定律。结果表明，在原子尺度上运行的热机不仅可以将热量转化为功，还可以将关联转化为功。因此，它们可以产生更多的功，量子发动机的效率可以超越传统的卡诺极限。

我们的工作深化了我们对原子层面世界的认知。我们对这些维度的物理定律理解得越透彻，就越能早日利用它们开发面向未来的技术——例如能够精确执行纳米级任务的微型高效量子马达。或许有一天，这样的马达能够驱动医疗纳米机器人，或控制在原子层面处理材料的机器？其潜力无限。