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澳门威尼斯人中秋优惠-爱因斯坦认为它永远不会被推翻,如今被量子信息论逼到了死角

作者:匿名 热度:4978 时间:2020-01-11 17:18:05

澳门威尼斯人中秋优惠-爱因斯坦认为它永远不会被推翻,如今被量子信息论逼到了死角

澳门威尼斯人中秋优惠,作为文科僧的造小就承认,这篇东西太深了!怕是大部分人看完前三段就得两眼发直。但造小就还是要鼓励大家看完它,哪怕你从中学不到什么,也能因为头脑发胀迅速入眠……

1824年,28岁的法国工程师萨迪·卡诺(sadi carnot)在其著作《论火的动力》中,提出了蒸汽机把热量转化为功的效率公式。热量是一种任意发散的能量,而功是一种有序的能量,可以推动活塞或者使轮子转动。卡诺惊讶地发现,理想热机的效率只取决于热源(通常是火)与冷源(通常是外部空气)之间的温差。卡诺意识到,功只不过是热量从高温物体向低温物体自发传递的副产品。

八年后,卡诺因感染霍乱去世,未能看到他的效率公式发展成热力学理论,也就是一套关于温度、热能、功、能量和熵之间相互作用的普遍规律。

熵是用来描述能量从高温物体向低温物体不断扩散的一种量度。热力学定律不仅适用于蒸汽机,也适用于其他一切事物,不管是太阳、黑洞、生命体,还是整个宇宙。这套理论是如此地简单和普适,以至于爱因斯坦认为它可能“永远不会被推翻”。

但从一开始,热力学在自然科学理论中的地位就非常奇特。

“如果把物理学理论比喻成人,那么热力学就是乡间女巫。”物理学家利迪亚·德·里奥(lídia del rio)与合著者去年在《物理学学报a辑》上写道,“其他理论觉得她有点古怪,本性和其他人有所不同,可大家都向她征求意见,没有一个人敢反驳她。”

比方说,粒子物理学的标准模型试图理解存在哪些物质,而热力学定律只是描述哪些事情做得到,哪些做不到。不过,热力学理论最奇特的一个地方在于,这些定律似乎具有主观性。

总体来看,构成某种气体的粒子似乎全都具有相同的温度,因此无法做功,但经过更加细致的检查,你可能会发现它们之间存在细微的温差。正如19世纪物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(james clerk maxwell)所说,“能量耗散的概念取决于我们的知识水平。”

近几年,学界出现了一种对热力学的革命性理解,利用量子信息理论来解释这种主观性。

量子信息理论描述了信息在量子系统中的扩散,德·里奥等人将该理论称为“物理学理论中的孩童”。就像热力学最初是为了改良蒸汽机一样,当今的热力学家正在琢磨量子机器的运作方式。收缩技术迫使他们把热力学延伸到量子领域。(过去一年里,单离子热机和三原子冰箱已首次得到实验论证。)在量子学领域,温度和功这样的概念失去了往日的意义,经典定律未必适用。

热力学家已经发现了新的量子版热力学定律,达到基本粒子的级别。热力学理论被重写,这促使专家们在其主观性质问题上,重塑热力学基本概念,并揭示能量与信息之间时常令人意想不到的深层联系。

这里的信息是指抽象的1和0,用以区分物理状态、衡量知识水平。“量子热力学”是一个正在形成的领域,有着广阔的前景,但同时也令人困惑。

“我们正迈进热力学的华丽新世界。”英国布里斯托大学物理学家、该领域佼佼者之一桑杜·波佩斯库(sandu popescu)说,“虽然经典热力学非常好,但现在,我们正从全新的角度来审视它。”

1867年,麦克斯韦在写给物理学家彼得·泰特(peter tait)的一封信中,提出了一个著名的悖论,暗示了热力学与信息之间的关系。这一悖论是关于热力学第二定律,后者又称“熵增定律”,亚瑟·爱丁顿(arthur eddington)爵士曾说,该定律“在自然定律中拥有至高无上的地位”。

根据第二定律,随着能量从高温物体向低温物体的转移,能量的有序性和有用性会越来越低,温差也会消失。(还记得卡诺的发现吗?你需要一个高温物体和一个低温物体才能做功。)火焰熄灭,咖啡变凉,宇宙迈向名为“热寂”的同温状态,之后,将无功可做。

奥地利著名物理学家路德维希·玻尔兹曼(ludwig boltzmann)把能量分散和熵增加视为简单的统计学问题:能量有很多途径可以在系统中的粒子之间扩散,而不是只有少数几种途径,因此,随着粒子的运动和相互作用,它们自然会趋向于能量越来越平衡的状态。

但麦克斯韦在那封信中描述了一个思维实验:一个具有超凡能力的生命体(后来被称为“麦克斯韦妖”)利用其知识来降低熵,同时挑战第二定律。

“麦克斯韦妖”知道气体容器里每个分子的位置和速度,它用一道闸门把容器分隔成两半,只允许速度快的分子通过闸门进入其中一边,同时只允许速度慢的分子进入另一边。这使气体被分成冷热两个部分,导致能量集中,降低了总熵。曾经无用的气体现在可以用来做功了。

麦克斯韦等人想知道,一条自然定律是否成立,怎么会取决于一个人对分子位置和速度的了解(或无知)?如果热力学第二定律在主观上取决于已知信息的多寡,那在什么样的条件下,它才是成立的?

一个世纪之后,美国物理学家查尔斯·贝内特(charles bennett)以利奥·西拉德(leo szilard)和罗夫·兰道尔(rolf landauer)的研究为基础,解决了麦克斯韦提出的这一悖论,正式把热力学与年轻的信息科学联系在一起。

贝内特认为,“麦克斯韦妖”的知识存储在其记忆中,如果要清除记忆,就需要做功。(1961年,兰道尔计算得出,室温环境下,至少需要2.9仄焦耳的能量才能让计算机清除1比特的存储信息。)

换言之,当“麦克斯韦妖”把气体分成冷热两部分,降低气体的熵时,它的大脑会消耗能量,产生的熵要比降低的熵更多。因此,气体—“麦克斯韦妖”系统的总熵增加了,这也就符合了热力学第二定律。

正如兰道尔所言,这些发现表明,“信息是一个物理实体”。你拥有的信息越多,你能提取的功就越多。“麦克斯韦妖”之所以能从单一温度的气体中提取功,是因为它比普通人掌握更多的信息。

但物理学家得以深入探索其中的巨大影响,则是在半个世纪之后,而且还离不开量子信息理论的发展。这套理论是在研究量子计算机的过程中诞生的。

过去十年里,波佩斯库和布里斯托大学的同事以及其他团队声称,能量之所以从高温物体向低温物体扩散,是因为信息在粒子之间扩散。根据量子理论,粒子的物理性质是概率性的:它们不是处于1或者0的固定状态,而是同时具有成为1的可能性和成为0的可能性。当粒子相互作用时,它们产生纠缠,把描述其两种状态的概率分布结合在一起。量子理论的一大核心是,信息(从概率上代表粒子状态的1和0)永远不会消失。(宇宙的当前状态保留了关于以往的所有信息。)

但随着粒子相互作用,变得日益纠缠,关于粒子个体状态的信息得到扩散,并且被越来越多的粒子所共享。波佩斯库和他的同事们认为,量子纠缠加剧的箭头导致了熵的增加,这就是热力学时间箭头。按照他们的解释,咖啡变凉,最后与室温一致,是因为咖啡分子与空气分子碰撞,致使编码其能量的信息泄露,被周围空气共享。

把熵作为一种主观量度来理解,这使得整个宇宙的进化不会丢失任何信息。即使宇宙的某些部分,比如咖啡、热机和人,由于其量子信息扩散而出现熵增加,宇宙的总熵也永远保持为零。

苏黎世联邦理工学院的雷纳托·伦纳(renato renner)教授认为,这是视角的一次巨大转变。他说:“15年前,我们把熵看作热力学系统的一个属性。如今,在信息理论中,我们不再把熵看作是系统的一个属性,而是描述系统的观察者的一个属性。”

“能量有两种形式,即无用热和有用功,这一观点适用于蒸汽机。”伦纳说,“而根据新的观点,这两种形式之间还存在一系列能量形式,对此,我们已经有所了解。”

“按照这种新的观点,熵和热力学不再那么神秘。”他说,“所以,相比以前的观点,人们更喜欢这种新观点。”

对于信息、能量与其他“守恒量”之间的关系,去年7月同时发表在《自然通讯》上的两篇论文作出了新的阐述。其中一篇来自布里斯托大学的上述团队,另一篇所属的团队,其成员包括伦敦大学学院教授乔纳森·奥本海姆(jonathan oppenheim)。这两支团队都设想了一个假定的量子系统,把信息作为一种货币,以实现物质资源之间的互换。

想象有一个巨大的容器,或者说热源,里面的粒子既拥有能量,也拥有角动量(它们既在移动也在旋转)。该热源与一个砝码和一个转动的转盘相连,砝码需要能量才能举起,转盘则需要角动量才能加速或减慢。

正常来说,按照卡诺的发现(同时需要高温热源和低温热源才能做功),单一热源无法做功。但研究人员发现,一个包含了多种守恒量的热源会遵循不同的规则。波佩斯库说,“如果有两种不同的守恒量,比如能量和角动量,那么只要一个热源同时包含此二者,它们就能进行转换。”

在假定的砝码-热源-转盘系统中,当转盘减速时,砝码被举起。反过来,当砝码下降时,转盘加速转动。

研究人员发现,描述粒子能量和旋转状态的量子信息如同一种货币,实现了热源能量与角动量之间的转换。守恒量在量子系统中可以彼此转换,这是一种全新的观点。

它也许表明,我们需要一种更加完善的热力学理论,不仅可以描述能量的流动,还能描述宇宙中所有守恒量之间的相互作用。

奥本海姆说,到目前为止,热力学以研究能量为主,这或许是环境所决定的,而不是本来就如此。如果当时有需要,卡诺及其后继者在提出热机理论的同时,可能也会发展出一套关于角动量流动的热力学理论。

波佩斯库说,他和同事们“把量子力学逼到了墙角”。一些认识正变得越来越清晰。今年3月,波佩斯库谈到了一个新的思维实验,它说明了信息与其他守恒量之间的区别,以及对称性如何把它们区分开。

“假如你和我住在相距遥远的不同星球上。”他说。假设波佩斯库想告诉你,如何才能找到他所在的星球,但唯一的问题是,这不可能做到。“我可以把哈姆雷特的故事发给你,但我无法为你指明方向。”

用一串纯粹而没有方向性的1和0,是无法表示彼此星球的位置的,因为“自然界没有为我们提供一个通用的参照系。”波佩斯库说。

如果有通用的参照系——比如宇宙结构中到处都是箭头,指示宇宙的运动方向——这会违反“旋转不变性”,也就是宇宙的一种对称性。如果和宇宙的运动一致,转盘会开始加速转动,角动量似乎会不再守恒。

20世纪初的数学家艾米·诺特(emmy noether)发现,每种对称性都对应着一个守恒定律:宇宙的旋转对称性反映了角动量的守恒。波佩斯库的思维实验表明,之所以无法用信息来表示空间方向,这“可能与角动量守恒定律有关”。

宇宙中的一切并不是都可以用信息来表示,要理解这一点,就要寻找关于自然界的更基本描述。

近年来,许多理论学家开始认为,时空(宇宙的弯曲结构)以及其中的物质与能量,可能是一幅源自量子信息纠缠网络的全息图。奥本海姆说,“我们必须格外注意,因为信息的行为方式不同于其他的物理性质,比如时空。”

了解这些概念之间的逻辑联系,有助于物理学家研究黑洞。黑洞是一种能够吞噬时空的神秘天体,具有温度和熵,并能以某种方式发出信息。

“关于黑洞,最重要的一个问题就是它的热力学。”波佩斯库说,“但黑洞的热力学非常复杂,不止是传统的热力学那么简单。对于热力学,我们正在形成一套全新的认识。而这些新的认识最终将用于研究黑洞,这一点毋庸置疑。”

英国埃克塞特大学的量子信息科学家珍妮特·安德斯(janet anders)采取了技术驱动的方法来理解量子热力学。“如果我们不断深入,我们会到达一个我们还没有找到强大理论来解释的领域。”安德斯说,“问题在于,对于该领域,我们需要知道一些什么,才能为技术专家提供有用的信息?”

2012年,安德斯等人在欧洲创建了一家研究机构,专门研究量子热力学。该机构目前拥有300名成员。研究者希望发现量子热机和量子冰箱的量子跃迁机制,这以后可以用来驱动或冷却计算机,或者用于太阳能面板、生物工程和其他领域。

如今,研究人员已经对量子热机的性能有了更深入的了解。2015年,以色列希伯来大学的拉姆·乌兹丁(raam uzdin)和同事们计算得出,量子热机的性能超过了传统热机。这些概率性热机仍然遵守卡诺关于热量转化为功的效率公式,但有时,它们做功的速度要快得多,从而拥有更强的功率。

波佩斯库、奥本海姆、伦纳等人也在探索更具体的发现。今年3月,奥本海姆和博士后研究员路易斯·马萨内斯(lluis masanes)发表了一篇论文,利用量子信息理论推导出热力学第三定律,也就是“不可能达到绝对零度”这一定律。

他们的研究显示,阻止你达到绝对零度的“冷却速度限制”,是因为在有限大小的物体中,信息从粒子中传递出来的速度存在限制。这种速度限制可能关系到量子冰箱的冷却能力。2015年,奥本海姆和同事的研究显示,在量子领域,热力学第二定律已被一系列新的第二“定律”所取代——对于定义了粒子物理状态的概率分布(包括在量子热机内部),它将如何演化,这些“定律”都做出了限制。

随着量子热力学领域的快速发展,各种各样的方法和发现层出不穷,对此,一些传统热力学家不以为然。

德国奥格斯堡大学的彼得·汉吉(peter hänggi)就是一位直言不讳的批评者,他认为,研究量子计算的人夸大了信息的重要性,误把宇宙当成一个巨大的量子信息处理器,而不是一个物质实体。他指责量子信息理论家将热力学的熵与信息理论的熵混为一谈,把后者用于并不适用的领域。汉吉说,“麦克斯韦妖”令他感到不安。

虽然汉吉的批评言论被认为过于保守,但其他热力学家指出,他的某些观点不无道理。

例如,量子信息理论家提出了抽象的量子机概念,他们想知道这些系统能否做功,但他们有时却绕开了如何才能让量子系统做功的问题,因为一旦观测量子,就会破坏同时存在的量子概率。安德斯和她的同事已开始利用关于量子功提取和储存的新想法,来解决这一问题。不过,理论文献依然所处可见。

“很多激动人心的发现已经摆在桌面上,只是有点乱。我们需要把它们整理好。”新加坡国立大学量子信息理论家、热力学家瓦勒里奥·斯卡莱尼(valerio scarani)说,“我们需要融会贯通。还需要知道,你的观点在这里适合,而我的观点在那里适合。我们对功有八种定义,也许我们应该想办法弄清楚,哪种定义在什么情况下是正确的,而不是提出功的第九种定义。”

对于宇宙的物质性遭到低估的风险,奥本海默和波佩斯库完全同意汉吉的看法。“对于那些认为一切皆是信息的信息理论家,我是很警惕的。”奥本海默说,“当蒸汽机诞生,热力学蓬勃发展的时候,曾有人认为宇宙就是一个巨大的蒸汽机,但实际情况比这复杂得多。”他之所以对量子热力学着迷,是因为“你有两个基本的量——能量和量子信息——它们结合在了一起。对我来说,这就是量子热力学充满吸引力的原因。”

翻译:于波

来源:quanta magazine

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