日本研究"量子恶魔引擎"？看似"永动机"，违反热力学却有可能！

日本研究"量子恶魔引擎"？看似"永动机"，违反热力学却有可能！

引用

网易

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https://www.163.com/dy/article/JO7PL65S051198AK.html

近日，日本名古屋大学领衔的一项突破性研究在《自然》子刊npj Quantum Information上发表，首次证实了一种被称为"量子恶魔引擎"的理论装置，在某些特定条件下，确实可以产生超出投入的能量输出。这一发现不仅解决了困扰物理学家一个多世纪的理论难题，更为未来量子技术的发展指明了方向。

如果有一台机器，能够让输出的能量超过输入的能量，会发生什么？毫无疑问这是永动机，对吧？按理说这违反了热力学第二定律。但2月7日发表在《自然》子刊npj Quantum Information上的一项最新研究，却给出了一个令人震惊的答案：在量子世界里，这种看似不可能的事情，竟然是可能的！

这项由日本名古屋大学领衔，联合欧洲多国研究机构完成的突破性研究，首次证实了一种被称为"量子恶魔引擎"的理论装置，在某些特定条件下，确实可以产生超出投入的能量输出。

等等，这听起来太疯狂了，难道热力学第二定律被推翻了吗？

事情没有这么简单。让我们跟随研究团队，一步步揭开这个谜团。

故事要从19世纪的一个著名思想实验说起。著名物理学家麦克斯韦提出了一个假想的"恶魔"——麦克斯韦妖，它可以通过精确控制气体分子的运动来降低系统的熵，看似违反了热力学第二定律。这个困扰物理学界一个多世纪的悖论，在量子世界里有了新的转机。

名古屋大学的研究团队发现，当我们把这个"恶魔"搬到量子世界时，事情变得更加有趣了。在量子尺度上，这个"恶魔"不仅理论上可行，而且确实能在某些条件下实现能量的"额外获取"。

但是，这里有一个关键的转折：研究团队进一步发现，虽然量子理论允许这种看似违反热力学第二定律的现象发生，但任何实际的量子过程都可以被设计成遵守热力学第二定律！

这听起来像是一个悖论，但实际上揭示了一个更深层的真相：量子力学和热力学之间存在着一种微妙的平衡。它们就像一对相爱相杀的舞者，看似冲突却又和谐共存。

研究的主要作者之一Shintaro Minagawa解释说，我们的发现表明，量子理论和热力学第二定律是逻辑独立的。量子理论可能违反第二定律，但它不必这样做。这建立了量子力学和热力学之间的一种非凡和谐：它们保持独立但从不根本对立。

这项研究不仅解决了一个困扰物理学家们长达一个多世纪的理论难题，更为未来量子技术的发展指明了方向。它告诉我们，在设计量子设备时，我们既要充分利用量子世界的神奇特性，又要考虑热力学规律的根本约束。

也就是说，这个"量子恶魔引擎"的故事再提醒我们：有时候，看似的"违反"可能只是我们对自然规律理解的不够深入。在量子世界的迷宫中，还有多少让人惊叹的发现在等待着我们呢？

参考文献：

1. Minagawa, S., et al. (2025). Universal validity of the second law of information thermodynamics. npj Quantum Information, 11:18.
2. Sagawa, T. & Ueda, M. (2008). Second law of thermodynamics with discrete quantum feedback control. Physical Review Letters, 100, 080403.