超越第二定律

自从蒸汽机开始使世界现代化以来，热力学第二定律就统治了物理学、化学、工程学和生物学。现在，升级正在进行中。

热力学——对能量的研究——起源于 1800 年代，当时蒸汽机推动了工业革命。为了理解它的第二定律，想象一个海绵蛋糕，刚从烤箱里拿出来，放在台面上冷却。携带热量的气味分子从蛋糕上飘走。物理学家可能想知道：这些分子在它们目前占据的空间体积中可以以多少种方式排列？我们称这种排列数量为分子的熵。如果体积刚好包围蛋糕（就像蛋糕最新鲜时那样），则熵相对较小。如果体积包含整个厨房（在分子有时间传播得更远之后），熵就会成倍增加。热力学第二定律规定，每个封闭的、孤立的系统（例如我们的厨房，假设门窗都关闭）的熵增长或保持不变。因此，海绵蛋糕的香味飘荡在整个厨房，永不消退。

我们将这种行为总结为一个不等式： ， 在哪里是分子的初始熵和他们的最终熵。不等式很有用，但很模糊，因为它不能告诉我们熵会增长多少，除非在特殊情况下：当分子处于平衡状态时。当诸如温度和体积之类的大尺度属性保持不变，并且没有任何东西（例如能量或粒子）的净流量进入或离开系统时，就会发生这种情况。 （例如，我们蛋糕的香味分子在完全填满厨房后达到平衡。）在平衡时，第二定律强化为等式： .这个简单、普遍的等式提供了许多不同类型的平衡热力学系统的精确信息。

波动关系具有根本性和实际意义。首先，从这些等式中，我们可以推导出热力学第二定律的表达式。因此，波动关系不仅将我们的知识扩展到远离平衡的地方，正如我们在 DNA 链中看到的那样，而且还概括了我们所知道的关于平衡的信息。

但是波动关系的真正力量在于一个具有讽刺意味的事实：虽然平衡特性在理论上更容易推理，但它们比远离平衡的特性更难通过实验测量。例如，为了测量使 DNA 远远超出平衡所需的工作量，我们可以简单地快速拉出链——在很短的时间内。相比之下，要测量在它保持平衡时拉伸它所需的功，我们必须如此缓慢地拉伸，以使 DNA 几乎总是保持静止——所以我们的实验需要无限长的时间。

化学家、生物学家和药理学家对蛋白质和其他分子的平衡特性感兴趣，因此使用波动关系为他们提供了实验立足点。他们可以执行许多短时间的非平衡试验并测量每个试验所需的工作。从这些数据中，他们可以推断出在下一次非平衡试验中需要任何给定工作量的概率。然后他们可以将这些概率代入波动关系的远离平衡侧以确定平衡侧。这种方法仍然需要大量的试验，但研究人员已经利用数学工具来减轻困难。

通过这种方式，涨落关系彻底改变了热力学，激发了实验并提供了关于远离平衡世界的详细预测。但它们的用处并不止于此。

在 2000 年代，量子热力学家——我们这些研究量子物理学如何改变经典概念（如功、热和效率）的人——想要获得乐趣，尽管我们的学科引入了额外的谜题。由于量子不确定性，如何定义和测量量子功尚不清楚；例如，测量量子系统的能量会改变该能量。

因此，不同的研究人员对量子工作提出了不同的定义。我将各种定义想象为维多利亚时代动物园中的物种。 “蜂鸟”的定义要求我们轻柔地测量量子系统，只稍微干扰能量——因为蜂鸟的翅膀在你耳边扇动片刻会干扰你。 “角马”的定义保持在中间，将我们的注意力集中在平均能量交换上。其他定义在量子热力学文献中飘扬、推特和喇叭。

正如你所料，不同的定义会导致不同的量子涨落关系。对于适用于不同物理设置的类似定义也是如此。有些关系更容易通过实验测试，而有些关系是抽象的和数学的。有些人描述了高能粒子，比如那些在欧洲核子研究中心被粉碎的粒子；一个描述了黑洞中的混沌；其中一个描述了宇宙的膨胀。实验者已经测试了一些量子涨落关系——与俘获离子、量子点等。

一个平等会上升到最顶端，就像一位君主击败所有亲戚争夺王位吗？我希望不会。在我看来，哪些定义和方程式有用取决于您对哪个系统感兴趣，如何戳它以及如何测量它。

量子涨落关系的多元性与物理学家所珍视的统一性形成鲜明对比，例如期待已久的万物理论期望统一所有基本力。或许某些原理会统一量子涨落关系，揭示它们是多维硬币的不同面。或者也许量子热力学比物理学的其他领域更丰富。