要測量一個原子,不可能不擾動它,至少根據量子力學是這樣的。但兩名物理學家報告稱,這一效應似乎有點麻煩,但它可以驅動一個微型引擎以近乎100%的效率運行——遠高于汽車引擎的效率。目前,這一“測量引擎”仍是純假設,但物理學家稱或許未來真能造出一款這樣的引擎。
“這是個非常好的想法。”法國蒙特邦奧圣馬爾坦市投資量子計算的人工智能公司ProbaYes的物理學家David Herrera Martí說,“你可以想象有一群小分子機器被一束激光高效地驅動著?!?/p>
引擎是反復循環一系列動作從而把能量轉化為有用功的一種機器。為了保持發動機的運轉,引擎必須不斷地恢復到初始狀態,在此過程中,它需要失去一些熱量。在熱力學第二定律的條件下,不可避免的能量浪費嚴重地限制了熱機的效率,使其低于氣缸設定的溫度水平。通常一輛汽車會只把25%的汽油能量轉化為動力。
把球推上山坡需要能量。量子引擎或能通過反復測量實現同樣的工作。
然而,美國紐約市羅切斯特大學的Cyril Elouard和Andrew Jordan說,在微小量子的領域,引擎可以從另一種來源獲得能量(即測量一個微小粒子的位置所需的能量),并以幾乎完全的效率使用它。他們兩人設計了一種方案,例如只要反復測量粒子的位置,就可以在引力的作用下抬升粒子。
想象電梯地板上有一個保齡球。無論你看它多少次,它的位置都不會變。但當把保齡球縮小到中子大小時,量子力學顯著地改變了這幅圖景。因為中子是如此之小,其位置已無法被準確預測。相反,它需要用散射的量子波才能被發現,從而給出在不同地方找到該中子的概率。量子波有些類似懸浮在移動平臺上的一團云,在平臺附近密度很大,而在更高的地方則更稀薄,而中子很可能在平臺附近。但直到測量發生,中子的位置才能被知曉。
利用量子測量“非此即彼”的性質,Elouard和Jordan想知道,測量的中子是在移動平臺上方的一定距離內,還是在更遠的地方。如果中子在靠近平臺的區域內,它們實際上會離開平臺;如果中子在靠近平臺的區域之外,它們會以同樣的設定距離向平臺上方移動,在重力把中子拉回來之前捕獲中子。研究人員近日在《物理評論快報》上發表的一項報告中指出,重復這個過程會逐漸抵抗引力束縛,使中子提升。有趣的是,該平臺本身不會產生提升中子的作用力。相反,提升中子的能量來自于測量本身。
據計算,該“測量引擎”的效率可以達到99.8%。Jordan說,建立這樣一個引擎是有可能的?!澳悴粫盟鼇磉\行火車頭。”他說,“但你可以運行一個原子或一個分子?!辈贿^,這樣的機器有什么潛在益處有待觀察。
當然,有得必有失。使用準確度較低的測量方法需要更多周期提升中子。因此,量子測量引擎雖然效率很高,但其工作速度卻很慢。Herrera Martí 指出,最終該發動機也不可能逃脫熱力學第二定律。他說,盡管研究人員沒有具體說明其測量設備,但它一定是一臺需要浪費能源的大機器。
盡管如此,測量引擎還是在量子力學的工具箱中加入了一個新工具。
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原文標題:量子力學工具箱再添利器—科學家提出高效驅動微型引擎概念
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