微观能量“分账”难题解决！新定律给量子“功”与“热”划清界限

全球观察者深度出品

纵横寰宇，洞察时代风云

大家好欢迎收看【】

量子计算机、量子电池这些新技术火得不行，但研发人员最近有点头疼给它们算账时，经典热力学那套“功”和“热”的定义居然不够用了。

这可不是小问题，能量算不清，设备效率怎么提？

还好，瑞士巴塞尔大学和德国亚琛工业大学的物理学家们搞出了新定律，总算给量子世界的能量分清楚了“工”。

咱们中学学的热力学，其实是给宏观世界定的规矩。

比如第一定律说能量既不会凭空产生也不会消失，第二定律说熵只会越来越大。

“功”就是能干活的能量，比如蒸汽机烧煤带动活塞，“热”就是浪费掉的能量，比如机器发烫。

界限明明白白，就像工资单里的“基本工资”和“加班费”，一眼就能分清。

但到了量子世界，这些规矩就像穿小鞋，挤得慌。

量子粒子能同时处于多个状态，就像你既在吃饭又在睡觉，这种“分身术”让物理量测不准。

还有量子纠缠，两个粒子隔老远还能互相影响，传统热力学根本没考虑过这种“远程操作”。

微观系统里哪些能量能控制、哪些不能，也变得模糊不清，就像一团乱麻。

科学家们之前试着用半经典模型凑合，就是一半按经典物理算，一半按量子算。

结果发现漏了量子涨落微观粒子总在瞎晃悠，这些晃动的能量没算进去，误差大得离谱。

后来想用全量子模型，更麻烦，算着算着“功”的概念居然消失了，就像记账时突然找不着“基本工资”这一项，这账还怎么算？

光学谐振腔系统里还有个悖论更让人头大。

相干激光明明是“正经干活”的能量，按量子描述居然被当成了热辐射相当于把“加班费”错算成了“罚款”，完全搞反了。

这些问题困住了不少物理学家，量子技术的发展也跟着卡了壳。

科学家们可不是坐视不管的。

瑞士巴塞尔大学和德国亚琛工业大学的团队决定换个思路，不从“功”和“热”本身下手，而是看能量的“可控性”。

就像分蛋糕，以前按大小分，现在按“谁能吃”分能主动控制的就是“功”，管不了的随机变化就是“热”。

他们提出了“相干位移场”的概念，把量子系统的能量拆成两部分。

一部分是我们能通过外部设备操控的，比如调节激光频率改变的能量，这就是“功”，另一部分是系统自己瞎晃悠产生的随机能量，这就是“热”。

本来想这拆分会不会有漏洞，后来发现数学推导严丝合缝，跟传统热力学定律也能对上，没毛病。

三能级微波激射器模型里，这个新定律第一次显了神通。

以前算不清激光能量里功和热的占比，现在用相干位移场一拆，清清楚楚。

量子电池充电也是，以前不知道哪些能量在“干活”、哪些在“发热”，优化方向都没有。

新定律一出来，充电效率的提升一下子有了具体目标，就像玩游戏突然开了地图，知道boss在哪儿了。

这研究不光是理论上好看。

量子电池要是按这个思路优化，充电速度和储能量说不定能上一个大台阶。

还有量子计算机，散热一直是老大难，芯片一热就死机。

现在知道怎么精确控制微观热耗散，以后长时间运行可能就不是问题了。

量子传感器的灵敏度也能跟着提升，毕竟能量变化测准了，检测精度自然高。

更重要的是，这事儿证明了热力学定律在微观世界照样管用，只是得换个说法。

量子力学和热力学以前像两条平行线，各说各话，现在总算有了交点。

以后研究更复杂的量子系统，比如多粒子纠缠体系，就有了靠谱的“能量尺子”。

英国埃克塞特大学的费德里科·切里索拉已经开始设计实验验证了，专门研究“废热”辐射能不能再利用。

要是成了，量子设备的能量利用率还能再提一提。

这新定律算是给量子热力学打开了一扇新门，以后理论完善了，实验跟上了，量子技术的春天说不定就真的来了。