物理学家改写了导致无序的基本定律

　　熵的上升仅仅是概率性的，还是可以通过使用清晰的量子公理来解决？
　　在所有的物理定律中，毫无疑问没有比热力学第二定律更神圣的原则了，即熵，无序的一种度量，将始终保持不变或增加。英国天体物理学家阿瑟艾丁顿（ArthurEddington）在其1928年出版的《物理世界的本质》（theNatureofthePhysicalWorld）一书中写道：如果有人向你指出你所钟爱的宇宙理论与麦克斯韦方程组不一致，那么麦克斯韦方程组就更糟了。。如果发现它与观察结果相矛盾，那么，这些实验主义者有时会做一些拙劣的事情。但是，如果发现你的理论违反热力学第二定律，我就不会给你任何希望；除了在最深的屈辱中崩溃外，别无他途。未发现任何违反本法的行为，也未预料到任何违反行为。
　　但是关于第二定律的一些事情困扰着物理学家们。有些人不相信我们能正确理解它，也不相信它的基础是牢固的。虽然它被称为一条定律，但通常被认为仅仅是概率性的：它规定任何过程的结果都是最有可能的（这实际上意味着，考虑到涉及的数字，结果是不可避免的）。
　　然而，物理学家不仅仅想要描述可能发生的事情。牛津大学（UniversityofOxford）的物理学家基亚拉马莱托（ChiaraMarletto）说：我们喜欢物理定律的精确性。。第二定律能否被严格限制为不仅仅是一种可能性的陈述？
　　许多独立团体似乎正是这样做的。他们可能从量子力学的基本原理中编织出第二定律，有人怀疑，量子力学在最深层次上具有方向性和不可逆性。根据这一观点，第二定律的产生不是因为经典概率，而是因为纠缠等量子效应。它源于量子系统共享信息的方式，源于决定什么是允许发生什么是不允许发生的量子原理的基石。在这一点上，熵的增加不仅仅是变化最可能的结果。这是我们所知的最基本资源信息的量子资源的逻辑结果。量子必然性
　　热力学是在19世纪早期被构想出来的，用来描述热流和功能的产生。由于蒸汽动力推动了工业革命，工程师们迫切需要使他们的设备尽可能高效，因此迫切需要这样一种理论。
　　最后，热力学对制造更好的发动机和机械没有多大帮助。相反，它成为现代物理学的中心支柱之一，提供了支配所有变化过程的标准。
　　牛津大学物理学家奇亚拉马莱托（ChiaraMarletto）
　　经典热力学只有几个定律，其中最基本的是第一定律和第二定律。第一种说法是能量总是守恒的；第二定律说热量总是从热流向冷。更常见的是，这用熵来表示，熵在任何变化过程中都必须整体增加。熵大致等同于无序，但奥地利物理学家路德维希玻尔兹曼（LudwigBoltzmann）将其更严格地表述为一个与系统的微状态总数相关的数量：其粒子可以以多少种等效方式排列。
　　第二定律似乎说明了为什么变化会首先发生。在单个粒子的水平上，经典运动定律可以在时间上逆转。但第二定律意味着变化必须以增加熵的方式发生。这种方向性被广泛认为是时间之箭。从这一观点来看，时间似乎从过去流向未来，因为宇宙开始处于低熵状态，并且正朝着更高熵的方向发展，原因尚未完全理解或达成一致。这意味着最终热量将完全均匀地传播，不会有进一步变化的驱动力19世纪中期的科学家称之为宇宙热死亡的令人沮丧的前景。
　　玻尔兹曼对熵的微观描述似乎可以解释这种方向性。许多无序度更高、熵更大的粒子系统远远超过了有序度更高、熵更低的状态，因此分子间的相互作用更有可能最终产生它们。第二定律似乎就是关于统计学的：它是一个大数定律。从这个角度来看，熵不能减少并没有根本原因，例如，为什么你房间里的所有空气分子不能偶然聚集在一个角落里。这是极不可能的。
　　然而，这种概率统计物理学留下了一些悬而未决的问题。它将我们引向整个可能状态集合中最可能的微观状态，并迫使我们满足于对该集合进行平均。
　　但经典物理定律是确定性的，它们只允许任何起点的单一结果。那么，如果只有一种结果是可能的，那么这个假想的国家集团究竟能在哪里进入画面呢？
　　大卫德伊奇，牛津大学的物理学家
　　牛津大学的物理学家大卫德伊奇（DavidDeutsch）多年来一直试图通过发展一种理论（如他所说）一个物理过程中完全没有概率和随机性的世界来避免这种困境Marletto目前正在合作的项目叫做构造器理论。它的目的不仅仅是确定哪些过程可能发生，哪些不可能发生，哪些是可能的，哪些是完全禁止的。
　　构造器理论旨在用关于可能和不可能变换的陈述来表达所有物理。它呼应了热力学本身开始的方式，因为它认为世界的变化是由机器（构造器）产生的，这些机器以循环的方式工作，遵循著名的卡诺循环的模式，卡诺循环是在19世纪提出的，用来描述发动机如何工作。构造器更像一个催化剂，促进了一个过程，并在最后返回到其原始状态。
　　马莱托说：假设你有一个像用砖头盖房子一样的转变。。你可以想到许多不同的机器可以达到不同的精度。所有这些机器都是建设者，在一个周期内工作当房子建成时，它们会恢复到原来的状态。
　　但仅仅因为可能存在执行某项任务的机器，并不意味着它也可以撤消该任务。建造房屋的机器可能无法将其拆除。这使得构造器的操作不同于描述砖块运动的动力学定律的操作，后者是可逆的。
　　Marletto说，这种不可逆性的原因是，对于大多数复杂的任务，构造函数都是针对给定环境的。它需要来自与完成该任务相关的环境的一些特定信息。但是反向任务将从不同的环境开始，因此同一个构造函数不一定工作。她说：这台机器特定于它所处的环境。。
　　最近，马莱托与牛津大学的量子理论家弗拉特科韦德拉尔（VlatkoVedral）及其意大利同事合作，证明构造器理论确实确定了在这个意义上不可逆的过程，即使一切都是根据量子力学定律发生的，而这些定律本身是完全可逆的。她说：我们表明，有一些转换可以为一个方向找到构造函数，但不能为另一个方向找到构造函数。。
　　研究人员考虑了一种涉及量子比特（qubit）状态的转换，量子比特可以存在于两种状态中的一种，也可以存在于两种状态的组合或叠加中。在他们的模型中，当单个量子比特B与其他量子比特相互作用时，可以通过一次移动一行量子比特将其从某个初始的、完全已知的状态B1转换为目标状态B2。这种相互作用使量子位纠缠在一起：它们的性质变得相互依存，因此，除非你看所有其他的量子位，否则你无法完全描述其中一个量子位的特性。
　　Marletto说，随着行中的量子位数量变得非常大，就有可能尽可能精确地将B带入B2态。B与量子位行的顺序相互作用过程构成了一个类似构造器的机器，将B1转换为B2。原则上，您也可以撤消该过程，通过沿行返回B，将B2返回到B1。
　　但是，如果在完成一次转换后，您尝试使用新的B为相同的过程重用量子位数组，该怎么办？Marletto及其同事指出，如果行中的量子比特数不是很大，并且重复使用同一行，那么阵列产生从B1到B2转换的能力就会越来越弱。但至关重要的是，该理论还预测，世界其他地区甚至无法实现从B2到B1的反向转换。研究人员通过实验证实了这一预测，使用光子B和光纤电路来模拟一行三个量子位。
　　Marletto说：你可以在一个方向上任意逼近构造器，但在另一个方向上却不行。。变换是不对称的，就像第二定律施加的一样。这是因为转换将系统从所谓的纯量子态（B1）转换为混合态（B2，与行纠缠）。一个纯粹的国家是一个我们对它了如指掌的国家。但是，当两个对象纠缠在一起时，如果不了解另一个对象的所有信息，就无法完全指定其中一个对象。事实上，从纯量子态到混合态要比从纯量子态到混合态容易得多，因为纯量子态中的信息通过纠缠传播开来，很难恢复。这相当于一旦墨水在水中分散，就试图重新形成一滴墨水，在这个过程中，第二定律施加了不可逆转性。
　　因此，在这里，不可逆性只是系统动态演化方式的结果，Marletto说。没有统计方面的数据。不可逆性不仅是最可能的结果，而且是不可避免的结果，由组件的量子相互作用决定。马莱托说：我们的猜测是，热力学的不可逆性可能源于此。机器中的恶魔
　　然而，关于第二定律还有另一种思考方式，这是由苏格兰科学家詹姆斯克拉克麦克斯韦首先提出的，他与玻尔兹曼一起开创了热力学的统计观点。麦克斯韦没有完全意识到这一点，他将热力学定律与信息问题联系起来。
　　麦克斯韦被宇宙热死的神学含义和似乎破坏自由意志的不可改变的规则所困扰。因此，在1867年，他试图在第二定律中挑出一个漏洞。在他的假设场景中，一个微观生物（后来令他恼火的是，被称为恶魔）将无用的热量转化为做功的资源。麦克斯韦先前已经证明，在处于热平衡的气体中，存在着分子能量的分布。有些分子比其他分子更热，它们运动更快，能量更大。但它们都是随机混合的，所以似乎没有办法利用这些差异。
　　进入麦克斯韦的恶魔。它将气体室一分为二，然后在它们之间安装一个无摩擦的活板门。恶魔让在隔间中移动的热分子沿着一个方向通过活板门，而不是另一个方向。最终，恶魔在一边有一个热气体，另一边有一个冷气体，它可以利用温度梯度来驱动一些机器。
　　恶魔利用分子运动的信息显然破坏了第二定律。因此，信息是一种资源，就像一桶石油一样，可以用来工作。但由于这些信息在宏观层面上对我们隐藏，我们无法利用它。正是这种对微观状态的无知迫使经典热力学谈论平均值和集合。
　　将近一个世纪后，物理学家们证明，麦克斯韦的恶魔从长远来看并没有颠覆第二定律，因为它收集的信息必须存储在某个地方，任何有限的内存最终都必须被擦除，以便为更多的信息腾出空间。1961年，物理学家罗尔夫兰道尔（RolfLandauer）指出，如果不耗散少量热量，从而提高周围环境的熵，信息的擦除就永远无法完成。所以第二定律只是被推迟了，没有被打破。
　　关于第二定律的信息观点现在被重新表述为一个量子问题。这部分是因为人们认为量子力学是一种更基本的描述麦克斯韦的恶魔本质上把气体粒子视为经典的台球。但它也反映了人们对量子信息理论本身日益增长的兴趣。我们可以用量子原理来处理信息，这是经典方法无法做到的。特别是，粒子的纠缠使得有关它们的信息能够以非常经典的方式传播和操纵。
　　卡尔加里大学的物理学家卡洛玛丽亚斯坎多洛（CarloMariaScandolo）
　　至关重要的是，量子信息方法提出了一种摆脱困扰经典热力学观点的麻烦统计图的方法，即必须对许多不同微观状态的集合进行平均。卡尔加里大学的卡洛玛丽亚斯坎多洛说：量子信息的真正新奇之处在于，人们认识到，可以用与环境的纠缠来取代量子系统。。
　　他说，在一个集合中进行追索反映了这样一个事实，即我们只有关于状态的部分信息可能是这个微观状态，也可能是那个微观状态，具有不同的概率，因此我们必须对概率分布进行平均。但量子理论提供了另一种产生部分信息的方法：通过纠缠。当一个量子系统与它的环境纠缠在一起时，我们不可能知道所有关于它的信息，关于这个系统本身的一些信息不可避免地会丢失：它最终处于一种混合状态，在这种状态下，即使只关注这个系统，你也无法知道它的所有信息，即使在原则上也是如此。
　　然后你不得不用概率来表达，不是因为你不知道这个系统的某些方面，而是因为其中一些信息从根本上是不可知的。斯堪的诺说，通过这种方式，纠缠自然会产生概率。通过考虑环境的作用来获得热力学行为的整个想法只有在存在纠缠的情况下才有效。
　　这些想法现在已经变得很精确了。Scandolo与香港大学的朱利奥奇里贝拉（GiulioChiribella）合作，提出了四条关于量子信息的公理，这四条公理是获得感性热力学所必需的，也就是说，一条公理不是基于概率的。这些公理描述了量子系统中与环境纠缠的信息的约束。特别是，在系统环境中发生的一切在原则上都是可逆的，正如量子系统如何随时间演化的标准数学公式所暗示的那样。
　　朱利奥奇里贝拉，香港大学物理学家
　　Scandolo和Chiribella指出，由于这些公理，不相关系统总是通过可逆相互作用变得更加相关。关联是连接纠缠物体的东西：一个物体的属性与另一个物体的属性相关。它们是用互信息来衡量的，这是一个与熵相关的量。因此，对相关性如何变化的约束也是对熵的约束。如果系统的熵减小，则环境的熵必须增大，使两个熵之和只能增大或保持不变，而不能减小。斯堪的诺说，通过这种方式，他们的方法从基本公理中推导出熵的存在，而不是从一开始就假设它。重新定义热力学
　　理解这一新的量子热力学版本的最通用的方法之一是调用所谓的资源理论，这再次说明了哪些转换是可能的，哪些是不可能的。资源理论是一个简单的模型，适用于任何情况，在这种情况下，你可以执行的动作和你可以访问的系统由于某种原因受到限制，美国国家标准与技术研究所（NationalInstitutesofStandardsandTechnology）的物理学家NicoleYungerHalpern说。（斯堪的诺也将资源理论纳入了他的工作。）
　　量子资源理论采用了量子信息理论所提出的物理世界的图景，在这个图景中，物理过程的可能性存在着根本的限制。在量子信息理论中，这些限制通常被表示为不可行定理：声明说你不能那样做！例如，根本不可能复制未知的量子态，这一想法被称为量子不克隆。
　　资源理论有几个主要成分。允许的操作称为自由操作。YungerHalpern说：一旦指定了自由操作，就定义了理论，然后就可以开始推理哪些转换是可能的或不可能的，并询问我们执行这些任务的最佳效率是什么。。与此同时，一种资源是一个代理人可以用来做一些有用的事情的东西它可以是一堆煤，用来点燃一个炉子和驱动一台蒸汽机。或者它可能是额外的记忆，让麦克斯韦恶魔在更长时间内颠覆第二定律。
　　NicoleYungerHalpern，美国国家标准与技术研究所的物理学家
　　量子资源理论允许放大经典第二定律的细粒度细节。我们不需要考虑大量的粒子；我们可以在其中的一些人中说明什么是允许的。YungerHalpern说，当我们这样做时，很明显，经典第二定律（最终熵必须等于或大于初始熵）只是一系列不等式关系的粗粒度和。例如，经典的第二定律说，你可以把一个非平衡态转变成一个更接近热平衡的状态。但询问这些状态中哪一个更接近热态并不是一个简单的问题，YungerHalpern说。要回答这个问题，我们必须检查一系列的不等式。
　　换言之，在资源理论中，似乎存在着一系列的微秒定律。YungerHalpern说：因此，传统的第二定律可能允许一些转变，但更详细的不平等家族却禁止了这些转变。。出于这个原因，她补充道，有时我觉得这个领域的每个人都有自己的第二定律。
　　维也纳大学的物理学家马库斯穆勒（MarkusMller）表示，资源理论方法承认热力学定律在数学上是完全严格的推导，没有任何概念或数学上的漏洞。他说，这种方法涉及重新思考热力学的真正含义这与其说是关于运动粒子大集合的平均特性，不如说是关于一个代理与自然对抗的游戏，以利用可用资源高效地执行任务。不过，最终还是关于信息。YungerHalpern说，丢弃信息或无法跟踪信息是第二定律成立的真正原因。希尔伯特问题
　　所有这些重建热力学和第二定律的努力都让人想起了德国数学家大卫希尔伯特提出的一个挑战。1900年，他提出了23个他想解决的数学悬而未决的问题。该清单中的第六项是用公理来对待那些数学在今天已经起着重要作用的物理科学。希尔伯特担心，他那个时代的物理学似乎建立在相当武断的假设之上，他希望看到这些假设变得严格，就像数学家试图为自己的学科推导基本公理一样。
　　大卫希尔伯特提出的23个问题指导了20世纪的许多数学研究。他的第六个问题是，物理定律是否可以公理化
　　今天，一些物理学家仍在研究希尔伯特的第六个问题，特别是试图用比传统公理更简单、物理上更透明的公理重新表述量子力学及其更抽象的版本量子场论。但希尔伯特显然也在考虑热力学，他指的是物理学中使用概率论的方面，这些方面已经成熟，可以重新发明了。
　　希尔伯特的第六个问题是否已经被第二定律破解，这似乎是一个品味问题。我认为希尔伯特的第六个问题远未完全解决，我个人认为这是物理学基础中一个非常有趣和重要的研究方向，斯堪的诺说。仍然存在一些悬而未决的问题，但我认为，只要有足够的时间和精力，这些问题将在可预见的未来得到解决。
　　也许，重新推导第二定律的真正价值不在于满足希尔伯特的幽灵，而在于加深我们对定律本身的理解。正如爱因斯坦所说：一个理论越令人印象深刻，它的前提就越简单。尤格哈尔伯恩将研究法律的动机比作文学学者仍在重新分析莎士比亚戏剧和诗歌的原因：不是因为这种新的分析更正确，而是因为如此深刻的作品是灵感和洞察力的无尽源泉。