1798年，軍官兼物理學家本傑明·湯普森（又名拉姆福德伯爵）在慕尼黑觀看砲管鑽孔時，做了一個簡單但有力的觀察。在此過程中金屬被持續加熱。這使他得出結論：熱不是一種物理物質。但它可以通過機械摩擦不斷地產生。
為了測試這個想法，拉姆福德將一個炮筒放入水中，併計時水沸騰所需的時間。他的測量結果表明，僅運動就能產生大量熱量。像這樣的實驗首先是 19 世紀熱力學的基礎。這個新領域在工業革命中發揮了關鍵作用，它解釋瞭如何將熱量轉化為有用功，例如為蒸汽機提供動力。
能量和無序的主要定律
如今，熱力學定律已成為科學家的基礎知識。他們表示這是一個封閉的系統。能量總量將保持不變。無論它是以熱還是功的形式出現，它也解釋了熵，熵是一種永遠不會隨著時間的推移而減少的無序程度的度量。
儘管這些原理在日常情況下都適用，但是當科學家試圖將其應用於由量子物理控制的非常小的系統時，就會出現問題。在這種規模下，關於熱和功的熟悉概念變得不清楚。
量子對經典物理學的挑戰
巴塞爾大學的研究人員在帕特里克·波茨教授的帶領下，開發出了一種新方法來定義某些量子系統的熱力學量。他們的研究結果最近發表在一份科學雜誌上。 物理審查信–
“我們對量子系統的熱力學描述所遇到的問題是，在這樣的系統中，一切都非常小。這意味著功（有用的宏觀能量）與熱或混沌微觀運動之間的區別不再是簡單的，”博士生亞倫·丹尼爾（Aaron Daniel）解釋道。
通道中的激光
為了探索這一挑戰，該團隊研究了空腔中的諧振器。這些系統將激光捕獲在兩塊玻璃之間。這會導致光線在其中一些最終逸出之前來回反射。
激光與燈泡或 LED 產生的光不同，因為電磁波一起移動。完美地結合在一起 當激光穿過充滿原子的狹縫時，這種稱為相干性的同步可能會被破壞。結果，光可能部分或完全不相干。 （這對應於混沌粒子運動。）“激光腔系統中光的相干性是我們計算的起點，”參與這項研究的本科生馬克斯·施勞文（Max Schrauwen）說。
通過鏈接在一起進行工作
研究人員首先闡明了激光的“功”的含義。一個例子是給所謂的量子電池充電的能力。這需要相干光可以將原子推入激發態。簡單的假設也就是說，持續的光進來完成這項工作。而失去部分相干性的光則代表熱量。
但情況更為微妙。即使是部分不相干的光也可以做有用的工作。它只是不如完全一致的光有效。丹尼爾和他的同事研究瞭如果僅將光輸出的相應部分算作功會發生什麼。而離散部件則被視為熱量。根據這個定義，熱力學的兩個定律仍然適用。這表明該框架是自洽的。
對量子技術的影響
“將來，我們可以使用我們的模型來考慮量子熱力學中更微妙的問題，”丹尼爾說。這種方法可能對新興量子技術有價值。包括量子網絡，它還可能幫助科學家更好地理解熟悉的經典行為是如何從隱藏的量子世界中出現的。
