科学家发现了热力学不确定性关系

深蓝色的畅想

热力学第二定律指出，孤立系统的总熵总是随时间增加，直到达到最大值。换句话说，在没有外界干预的情况下，混乱会加剧。电力设备不可避免地会升温，因为一部分能量以热的形式散失，而不是用于机械工作，物体随着时间的推移会变质，但不会自动再生。

然而，熵的这种直觉性质并不一定适用于微观世界。因此，物理学家通过给第二定律一个统计上的扭曲来重新解释它：但是有时它会减小的可能性不为零。

例如，在某些情况下，热不是从热的物体流向冷的物体，而是从冷的物体流向热的物体。波动定理(FTs)精确地量化了这种可能性，这个问题对纳米机器的操作有实际意义。1993年《物理评论快报》(Physical Review Letters)发表的一篇文章首次提出了FTs的建议。这篇文章是由澳大利亚科学家丹尼斯·埃文斯和加里·莫里斯以及荷兰科学家埃兹希尔·科恩共同撰写的。他们用计算机模拟测试了其中一个定理。

该期刊最近发表的一篇文章表明，FTs的一个后果是热力不确定关系，即热力量如热、功和功率的值的波动。这篇新文章的题目是《来自交换涨落定理的热力学不确定性关系》。

不确定性关系

热力学不确定关系的物理起源直到现在还不清楚。我们的研究表明，它们可能来自于FTs。

“当我们开始学习热力学时，我们必须处理热、功和功率等物理量，我们总是给它们赋一个固定的值。我们从未想过它们会波动，但它们确实会。在微观世界中，这些波动是相关的。例如，它们可能影响纳米级机器的操作。热力学不确定性关系为这些波动建立了一个基础，将它们与其它物理量联系起来。”研究人员说。

这些关系的数学结构类似于海森堡测不准原理，但它们与量子物理毫无关系，它们是纯热力学的。热力学不确定性关系的本质从来都不是很清楚。”研究人员说，“我们的主要贡献是证明他们来自FTs。我们认为FTs更概括地描述了热力学第二定律，热力学不确定关系是FTs的结果。”

热力学第二定律的这一推广将热力学量视为可以波动的实体，尽管不是任意的，因为它们必须遵循一定的对称性。“有几个波动定理。”研究人员说，“我们发现了一类特殊的傅里叶变换，并把它们作为数学对称性的例子来研究。就这样，我们把问题变成了一个数学问题。我们的主要结果是一个概率论定理。”

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