科学家发现：量子力学在原子尺度上超越热力学第二定律！

 

人类相信热力学第二定律，已经两百年。

这条定律就像宇宙的宪法，谁都得遵守。它告诉我们，能量转化是有代价的，热永远从高温流向低温，没有例外。你想造出“永动机”？不行。你想让热机效率超过极限？做梦。

从蒸汽机到飞机引擎，从空调到火箭，全人类都在这条法则的阴影下打工。

但最近，有人动手在这块神圣的石碑上刻了一道口子。

而且动手的，不是叛逆的哲学家，而是两个物理学家。

他们来自德国斯图加特大学，一个叫埃里克·卢茨，一个叫米尔顿·阿吉拉尔。他们在《Science Advances》上发表了一篇论文，意思很直接：在原子尺度上，卡诺原理不再适用。

 

 

翻译成人话就是：热力学的第二定律，只在大世界管用。到了原子层面，它就不灵了。

 

这话放在一百年前，估计得被打成异端。

可今天的物理学，已经习惯被量子力学刷新三观。经典物理看似牢不可破，结果被一个叫“叠加态”的玩意儿搞得支离破碎。现在轮到热力学了。人们发现，当你把引擎缩小到原子级别，那些老规矩就开始打滑。

 

卢茨和阿吉拉尔研究的是所谓“量子热机”。

 

别被名字唬住，它的原理其实挺简单：利用两个能级差来做功，有点像一个极微型的蒸汽机，只不过蒸汽换成了量子态。问题是，这种小机器里，粒子之间并不是互不相干的独立个体，而是存在某种“量子关联”。这种关联说白了，就是粒子之间有种看不见的默契。它们不是你死我活的能量竞争者，而像一对商量好分工的搭档。

 

 

在传统热机里，效率的极限是卡诺公式定下的，取决于冷热温差。温差越大，效率越高，这是卡诺1824年算出来的神结论，人类用了两百年也没推翻。但卢茨团队发现，如果引擎够小，小到能感受到量子层级的那种关联，那么“效率”这个词的含义就得重新定义。

因为热机不止能从热量里榨能量，它还能从“关联”里榨能量。

换句话说，它能从粒子之间的默契中偷出一点额外的功。

这听起来像作弊，可数学推导没毛病。

 

 

他们用理论证明，这种“关联能”本身就能被转化成机械功。于是，在量子尺度下，热机效率可以超过卡诺极限。这并不是违反热力学，而是说明热力学的“版本号太低”，该更新了。

 

你可以想象这有多离谱。

卡诺原理两百年来从未被质疑，它是整个热机科学的地基。热力学第二定律更是物理界的神祇，谁都不敢碰。现在，一个小小的原子引擎，居然能“超神”。这就像是一个蚂蚁在告诉你：“不好意思，你们人类的数学算错了。”

 

 

但科学就是这样，它永远在被自己背叛。

物理学史其实就是一连串“信仰崩塌”的过程。牛顿告诉你世界是确定的，后来爱因斯坦告诉你那只是近似；爱因斯坦说上帝不掷骰子，量子力学则用实验证明他错了。现在连热力学这种“宏观圣经”，也得在量子层面让步。

宇宙的规律，并不喜欢被人类用定律关在笼子里。

 

卢茨在采访中说，他们的研究不是否定卡诺原理，而是让它“进化”。

 

 

卡诺原理假设的是大系统，也就是那些包含无数粒子的热机。只有那种规模下，能量交换才会服从平均规律。而在原子层面，粒子数量太少，个体差异太大，量子效应开始搅局。热力学的世界观是连续的、平滑的，但量子世界是离散的、跳跃的。两种逻辑根本对不上号。

 

最有意思的是“量子关联”这件事。

它其实是一种信息关系，不属于能量，但能在特定条件下变成能量。

这听上去像哲学，但在数学上说得通。粒子之间的纠缠，让系统的整体态包含了额外的信息自由度。而这部分信息，如果被巧妙操控，就能转换成可利用的功。

这就像你以为房间里只有一盏灯，结果有人告诉你，灯泡的“相位关系”还能发光。

你不理解，但它确实亮了。

 

从技术角度看，这种理论的意义巨大。

如果我们能控制这种量子关联，未来的机器可能不再依赖温差，而依赖量子态的差异。那时候，所谓“引擎”就不再需要燃料。一个单原子引擎或许能驱动微型机器人在血管中穿梭，在人体内部执行精准的手术。

甚至有一天，我们可能不再用“发电”这个词，而是用“关联提取”。

不过别急着兴奋。

理论归理论，现实实验还远没那么简单。量子系统太脆弱，稍微有点外界噪声，就会把那点微妙的“同步性”打碎。维持量子关联，就像在暴雨里点火柴。

但方向已经确定：热力学的下一个篇章，正在被量子力学重写。

很多人喜欢问一个哲学问题：物理定律到底是不变的，还是人类发明的？

这类研究给了一个暧昧的答案：定律确实存在，但它们只是某个层面的近似。我们在宏观世界看到的秩序，只是无数微观混乱的平均结果。

卡诺原理、第二定律、熵增，这些概念并没有被推翻，它们只是失去了“绝对性”。

真相更复杂，也更迷人。

两百年前，卡诺在蒸汽的嘶鸣声中定义了效率；

两百年后，量子力学在原子的静默里重新定义了能量。

科学没有终点，只有下一个例外。

当卡诺在他的论文里写下“没有任何热机能超过这一效率”时，他当然是对的。

但那是站在人类尺度上的对。

在原子尺度上，粒子笑了笑，继续按照自己的节奏运行。

它们从不听命于人类的定律，它们只遵守自然自己的逻辑。

这，就是量子世界的傲慢。

也是科学最迷人的地方：每一次推翻，都是在逼近真理。

 

参考来源：
Milton Aguilar, Eric Lutz, Correlated quantum machines beyond the standard second law, Science Advances, 2025. DOI: 10.1126/sciadv.adw8462

 

来源：质子教授微信号