熱力學第二定律“失效”

2002年7月19日

作者:馬修 · 查爾默斯

 

 

物理學最基本的定律之一,熱力學第二定律,第一次被證明不適用於微觀系統。

 

澳大利亞化學物理學家的示範可能會對微型化加以基本限制,因為該示範表明奈米技術學家設想的微型設備不會像大型設備的簡單微縮版本那樣運作——它們有可能會逆向運行。

 

第二定律指出,一個封閉的系統會隨著時間的推移保持不變或變得更加無序。也就是說,熵總是會增加。這就是一杯茶只會向外散熱,而不是被周圍空氣加熱的原因。

 

 

 

格拉斯哥大學的理論物理學家安德魯 · 戴維斯說 :“例如在一個典型的房間裡,空氣分子很可能是均勻分佈的,這是它們各自隨機運動的總體結果。但由於這種隨機性,總有一種可能,所有的空氣會突然聚集在一個角落裡。”幸運的是這種可能性極低,所以在人類歷史中永遠不會發生。

 

 

 

到達極限

 

物理學家知道,在原子層面的極短時間內,統計力學的極限會被超越,而第二定律並不適用。換句話說,打破第二定律的情況更有可能發生。

但新的實驗探索了極小型系統和宏觀系統之間不確定的中間地帶,並表明第二定律也可以在微米級別被打破,持續時間最長可達兩秒。

位於坎培拉的澳大利亞國立大學的丹尼斯•埃文斯帶領的研究人員測量了乳膠顆粒的熵變化,每個顆粒間隔只有幾微米,懸浮在水中。

透過使用精確的雷射光束捕捉顆粒,該團隊能夠非常頻繁地測量顆粒的運動,從而在短時間間隔內反復計算系統內的熵。

 

 

 

逆向運行

 

他們發現熵的變化在零點幾秒的時間間隔內是負的,表明自然是逆向運行的。在這種情況下,顆粒從水分子的隨機運動中獲得能量——這相當於一杯茶變熱的小規模版本。但在超過兩秒的時間間隔內,總體上測量到熵值變化為正,又恢復正常。

研究小組說,他們的實驗第一次通過證據證明:熱力學第二定律在可評估的時間和長度級別上被打破。

他們的研究結果也與 “波動定理” 的預測相吻合。”波動定理” 是10年前在澳大利亞國立大學發展出的一種理論,其目的是使第二定律與微觀尺度下的顆粒行為相符。

 

研究人員稱:  ” 研究結果表明波動定理對奈米技術以及生命本身的功能都有重要影響。”

 

期刊參考:《物理評論快報》(89卷,050601)

註:《物理評論快報》是物理學領域頂級的學術期刊之一。

 

原文:

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

翻譯:Claire

 

 

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