物理学家在原子层面挑战了已有200年历史的热力学定律

传统热机，如内燃机和蒸汽轮机，通过将热能转化为机械运动（简单说就是把热量变成运动）来工作。过去几年，量子力学的进步让研究人员能把热机缩小到微观尺寸。斯图加特大学理论物理研究所的埃里克·卢茨教授表示：“未来，不比单个原子大的微型马达有望成为现实。现在也很清楚，这些引擎能达到比大型热机更高的最大效率。”卢茨教授和该研究所的博士后研究员米尔顿·阿吉拉尔在《科学进展》（Science Advances）期刊的论文中，阐述了这一惊人结果背后的物理学原理。在一次三问采访中，他们介绍了自己的发现及其重要性。

重新思考200年前的效率极限
近两个世纪前，法国物理学家萨迪·卡诺确立了任何热机所能达到的理论最大效率。卡诺原理后来成为热力学第二定律的一部分，它原本是为蒸汽轮机这类大型系统制定的。斯图加特的研究人员如今发现，当把这一原理应用到原子尺度的系统时，需要进行扩展。对于强关联分子马达来说尤其如此，在这类马达中，粒子之间存在紧密联系，而这种联系是经典热力学没有考虑到的。

量子关联的隐藏作用
卡诺的原始研究表明，效率取决于温度差，冷热温差越大，潜在效率就越高。但经典公式没有包含量子关联的影响。量子关联是当系统变得极小时，粒子之间产生的微妙联系。研究人员首次推导出了完全包含这些关联的广义热力学定律。他们的结果显示，原子尺度的热机不仅能把热量转化为功，还能把量子关联本身转化为功。正因为有了这种额外的能量来源，这类机器能产生比经典理论允许的更多的功，这意味着量子引擎的效率可以超过传统的卡诺极限。

这对未来技术的意义
除了完善基础物理学，这项研究还为未来应用开辟了新可能。深入理解物理定律在原子层面的运作方式，可能会加速下一代技术的发展，包括能执行精确纳米级任务的超小型高效量子马达。这类马达有朝一日或许能为医疗纳米机器人提供动力，或者操控能逐个原子处理材料的机器。其潜在用途非常广泛，这也凸显了重新审视基础科学原理如何能带来全新的技术视野。