人類相信熱力學(xué)第二定律，已經(jīng)兩百年。

這條定律就像宇宙的憲法，誰(shuí)都得遵守。它告訴我們，能量轉(zhuǎn)化是有代價(jià)的，熱永遠(yuǎn)從高溫流向低溫，沒(méi)有例外。你想造出“永動(dòng)機(jī)”？不行。你想讓熱機(jī)效率超過(guò)極限？做夢(mèng)。

從蒸汽機(jī)到飛機(jī)引擎，從空調(diào)到火箭，全人類都在這條法則的陰影下打工。

但最近，有人動(dòng)手在這塊神圣的石碑上刻了一道口子。

而且動(dòng)手的，不是叛逆的哲學(xué)家，而是兩個(gè)物理學(xué)家。

他們來(lái)自德國(guó)斯圖加特大學(xué)，一個(gè)叫埃里克·盧茨，一個(gè)叫米爾頓·阿吉拉爾。他們?cè)凇禨cience Advances》上發(fā)表了一篇論文，意思很直接：在原子尺度上，卡諾原理不再適用。

翻譯成人話就是：熱力學(xué)的第二定律，只在大世界管用。到了原子層面，它就不靈了。

這話放在一百年前，估計(jì)得被打成異端。

可今天的物理學(xué)，已經(jīng)習(xí)慣被量子力學(xué)刷新三觀。經(jīng)典物理看似牢不可破，結(jié)果被一個(gè)叫“疊加態(tài)”的玩意兒搞得支離破碎。現(xiàn)在輪到熱力學(xué)了。人們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)你把引擎縮小到原子級(jí)別，那些老規(guī)矩就開始打滑。

盧茨和阿吉拉爾研究的是所謂“量子熱機(jī)”。

別被名字唬住，它的原理其實(shí)挺簡(jiǎn)單：利用兩個(gè)能級(jí)差來(lái)做功，有點(diǎn)像一個(gè)極微型的蒸汽機(jī)，只不過(guò)蒸汽換成了量子態(tài)。問(wèn)題是，這種小機(jī)器里，粒子之間并不是互不相干的獨(dú)立個(gè)體，而是存在某種“量子關(guān)聯(lián)”。這種關(guān)聯(lián)說(shuō)白了，就是粒子之間有種看不見(jiàn)的默契。它們不是你死我活的能量競(jìng)爭(zhēng)者，而像一對(duì)商量好分工的搭檔。

在傳統(tǒng)熱機(jī)里，效率的極限是卡諾公式定下的，取決于冷熱溫差。溫差越大，效率越高，這是卡諾1824年算出來(lái)的神結(jié)論，人類用了兩百年也沒(méi)推翻。但盧茨團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，如果引擎夠小，小到能感受到量子層級(jí)的那種關(guān)聯(lián)，那么“效率”這個(gè)詞的含義就得重新定義。

因?yàn)闊釞C(jī)不止能從熱量里榨能量，它還能從“關(guān)聯(lián)”里榨能量。

換句話說(shuō)，它能從粒子之間的默契中偷出一點(diǎn)額外的功。

這聽起來(lái)像作弊，可數(shù)學(xué)推導(dǎo)沒(méi)毛病。

他們用理論證明，這種“關(guān)聯(lián)能”本身就能被轉(zhuǎn)化成機(jī)械功。于是，在量子尺度下，熱機(jī)效率可以超過(guò)卡諾極限。這并不是違反熱力學(xué)，而是說(shuō)明熱力學(xué)的“版本號(hào)太低”，該更新了。

你可以想象這有多離譜。

卡諾原理兩百年來(lái)從未被質(zhì)疑，它是整個(gè)熱機(jī)科學(xué)的地基。熱力學(xué)第二定律更是物理界的神祇，誰(shuí)都不敢碰?，F(xiàn)在，一個(gè)小小的原子引擎，居然能“超神”。這就像是一個(gè)螞蟻在告訴你：“不好意思，你們?nèi)祟惖臄?shù)學(xué)算錯(cuò)了?！?/p>

但科學(xué)就是這樣，它永遠(yuǎn)在被自己背叛。
物理學(xué)史其實(shí)就是一連串“信仰崩塌”的過(guò)程。牛頓告訴你世界是確定的，后來(lái)愛(ài)因斯坦告訴你那只是近似；愛(ài)因斯坦說(shuō)上帝不擲骰子，量子力學(xué)則用實(shí)驗(yàn)證明他錯(cuò)了?，F(xiàn)在連熱力學(xué)這種“宏觀圣經(jīng)”，也得在量子層面讓步。

宇宙的規(guī)律，并不喜歡被人類用定律關(guān)在籠子里。

盧茨在采訪中說(shuō)，他們的研究不是否定卡諾原理，而是讓它“進(jìn)化”。

卡諾原理假設(shè)的是大系統(tǒng)，也就是那些包含無(wú)數(shù)粒子的熱機(jī)。只有那種規(guī)模下，能量交換才會(huì)服從平均規(guī)律。而在原子層面，粒子數(shù)量太少，個(gè)體差異太大，量子效應(yīng)開始攪局。熱力學(xué)的世界觀是連續(xù)的、平滑的，但量子世界是離散的、跳躍的。兩種邏輯根本對(duì)不上號(hào)。

最有意思的是“量子關(guān)聯(lián)”這件事。

它其實(shí)是一種信息關(guān)系，不屬于能量，但能在特定條件下變成能量。
這聽上去像哲學(xué)，但在數(shù)學(xué)上說(shuō)得通。粒子之間的糾纏，讓系統(tǒng)的整體態(tài)包含了額外的信息自由度。而這部分信息，如果被巧妙操控，就能轉(zhuǎn)換成可利用的功。

這就像你以為房間里只有一盞燈，結(jié)果有人告訴你，燈泡的“相位關(guān)系”還能發(fā)光。
你不理解，但它確實(shí)亮了。

從技術(shù)角度看，這種理論的意義巨大。

如果我們能控制這種量子關(guān)聯(lián)，未來(lái)的機(jī)器可能不再依賴溫差，而依賴量子態(tài)的差異。那時(shí)候，所謂“引擎”就不再需要燃料。一個(gè)單原子引擎或許能驅(qū)動(dòng)微型機(jī)器人在血管中穿梭，在人體內(nèi)部執(zhí)行精準(zhǔn)的手術(shù)。

甚至有一天，我們可能不再用“發(fā)電”這個(gè)詞，而是用“關(guān)聯(lián)提取”。

不過(guò)別急著興奮。

理論歸理論，現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)還遠(yuǎn)沒(méi)那么簡(jiǎn)單。量子系統(tǒng)太脆弱，稍微有點(diǎn)外界噪聲，就會(huì)把那點(diǎn)微妙的“同步性”打碎。維持量子關(guān)聯(lián)，就像在暴雨里點(diǎn)火柴。

但方向已經(jīng)確定：熱力學(xué)的下一個(gè)篇章，正在被量子力學(xué)重寫。

很多人喜歡問(wèn)一個(gè)哲學(xué)問(wèn)題：物理定律到底是不變的，還是人類發(fā)明的？

這類研究給了一個(gè)曖昧的答案：定律確實(shí)存在，但它們只是某個(gè)層面的近似。我們?cè)诤暧^世界看到的秩序，只是無(wú)數(shù)微觀混亂的平均結(jié)果。

卡諾原理、第二定律、熵增，這些概念并沒(méi)有被推翻，它們只是失去了“絕對(duì)性”。

真相更復(fù)雜，也更迷人。

兩百年前，卡諾在蒸汽的嘶鳴聲中定義了效率；

兩百年后，量子力學(xué)在原子的靜默里重新定義了能量。

科學(xué)沒(méi)有終點(diǎn)，只有下一個(gè)例外。

當(dāng)卡諾在他的論文里寫下“沒(méi)有任何熱機(jī)能超過(guò)這一效率”時(shí)，他當(dāng)然是對(duì)的。

但那是站在人類尺度上的對(duì)。

在原子尺度上，粒子笑了笑，繼續(xù)按照自己的節(jié)奏運(yùn)行。

它們從不聽命于人類的定律，它們只遵守自然自己的邏輯。

這，就是量子世界的傲慢。

也是科學(xué)最迷人的地方：每一次推翻，都是在逼近真理。

參考來(lái)源：
Milton Aguilar, Eric Lutz, Correlated quantum machines beyond the standard second law, Science Advances, 2025. DOI: 10.1126/sciadv.adw8462