热力学第二定律“失效”

2002年7月19日

作者:马修 · 查尔默斯

 

 

物理学最基本的定律之一,热力学第二定律,第一次被证明不适用于微观系统。

 

澳大利亚化学物理学家的示范可能会对微型化加以基本限制,因为该示范表明奈米技术学家设想的微型设备不会像大型设备的简单微缩版本那样运作——它们有可能会逆向运行。

 

第二定律指出,一个封闭的系统会随着时间的推移保持不变或变得更加无序。也就是说,熵总是会增加。这就是一杯茶只会向外散热,而不是被周围空气加热的原因。

 

 

 

格拉斯哥大学的理论物理学家安德鲁 · 戴维斯说 :“例如在一个典型的房间里,空气分子很可能是均匀分佈的,这是它们各自随机运动的总体结果。但由于这种随机性,总有一种可能,所有的空气会突然聚集在一个角落里。”幸运的是这种可能性极低,所以在人类歷史中永远不会发生。

 

 

 

到达极限

 

物理学家知道,在原子层面的极短时间内,统计力学的极限会被超越,而第二定律并不适用。换句话说,打破第二定律的情况更有可能发生。

但新的实验探索了极小型系统和宏观系统之间不确定的中间地带,并表明第二定律也可以在微米级别被打破,持续时间最长可达两秒。

位于坎培拉的澳大利亚国立大学的丹尼斯•埃文斯带领的研究人员测量了乳胶颗粒的熵变化,每个颗粒间隔只有几微米,悬浮在水中。

透过使用精确的雷射光束捕捉颗粒,该团队能够非常频繁地测量颗粒的运动,从而在短时间间隔内反復计算系统内的熵。

 

 

 

逆向运行

 

他们发现熵的变化在零点几秒的时间间隔内是负的,表明自然是逆向运行的。在这种情况下,颗粒从水分子的随机运动中获得能量——这相当于一杯茶变热的小规模版本。但在超过两秒的时间间隔内,总体上测量到熵值变化为正,又恢復正常。

研究小组说,他们的实验第一次通过证据证明:热力学第二定律在可评估的时间和长度级别上被打破。

他们的研究结果也与 “波动定理” 的预测相吻合。”波动定理” 是10年前在澳大利亚国立大学发展出的一种理论,其目的是使第二定律与微观尺度下的颗粒行为相符。

 

研究人员称:  ” 研究结果表明波动定理对奈米技术以及生命本身的功能都有重要影响。”

 

期刊参考:《物理评论快报》(89卷,050601)

注:《物理评论快报》是物理学领域顶级的学术期刊之一。

 

原文:

https://www.newscientist.com/article/dn2572-second-law-of-thermodynamics-broken/

翻译:Claire

 

 

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