物理学家找到了让热力学在量子世界中适用的方法

伦福德将炮筒放入水中，计时水沸腾所需时间，发现仅运动就能产生大量热量。这类实验为19世纪的热力学奠定了基础。起初，这一新兴领域在工业革命中发挥关键作用，解释了热量如何高效转化为有用功，例如驱动蒸汽机。

能量与无序的核心定律
如今，热力学定律是科学家的基础知识。定律指出，在封闭系统中，总能量保持不变，无论它以热量还是功的形式存在。定律还描述了熵——一种衡量无序程度的物理量，它随时间永不减少。

虽然这些原理在日常情况下成立，但当科学家试图将其应用于由量子物理学主导的极小系统时，问题便出现了。在这种尺度下，人们熟悉的热量和功的概念开始变得模糊。

对经典物理学的量子挑战
由帕特里克·波茨教授领导的巴塞尔大学研究人员，开发了一种为特定量子系统定义热力学量的新方法。他们的研究成果最近发表在《物理评论快报》科学期刊上。

博士生亚伦·丹尼尔解释道：“对量子系统进行热力学描述的难题在于，这类系统中的一切都是微观的。这意味着，功（有用的宏观能量）与热量（无序的微观运动）之间的区别不再清晰明了。”

腔内激光
为探索这一挑战，团队研究了腔谐振器。这类系统将激光困在两面镜子之间，使光来回反射，最终有一部分光逸出。

激光与灯泡或LED产生的光不同，其电磁波完美同步运动。当激光穿过充满原子的腔体时，这种被称为相干性的同步性可能会被破坏。结果，光可能会部分或完全变为非相干光（对应于粒子的无序运动）。参与研究的本科生马克斯·施劳文说：“这种激光-腔系统中光的相干性是我们计算的起点。”

相干性的功
研究人员首先明确了激光的“功”意味着什么。一个例子是为所谓的量子电池充电的能力，这需要相干光能够共同将原子推到激发态。一个简单的假设是：入射的相干光做功，而失去部分相干性的出射光则代表热量。

但情况更为复杂。即使部分变为非相干的光仍能做有用功，只是效率不如完全相干光高。丹尼尔和同事们研究发现，如果将出射光中仅相干部分算作功，非相干部分视为热量，那么热力学的两条定律仍然成立，表明该理论框架是自洽的。

对量子技术的意义
丹尼尔说：“未来，我们可以用我们的理论框架来研究量子热力学中更复杂的问题。”这种方法可能对新兴的量子技术（包括量子网络）具有重要价值，也可能帮助科学家更好地理解常见的经典行为如何从底层的量子世界中产生。