科學家提出高效驅(qū)動微型引擎概念
要測量一個原子，不可能不擾動它，至少根據(jù)量子力學是這樣的。但兩名物理學家報告稱，這一效應(yīng)似乎有點麻煩，但它可以驅(qū)動一個微型引擎以近乎100%的效率運行——遠高于汽車引擎的效率。目前，這一“測量引擎”仍是純假設(shè)，但物理學家稱或許未來真能造出一款這樣的引擎。
“這是個非常好的想法?！狈▏商匕願W圣馬爾坦市投資量子計算的人工智能公司ProbaYes的物理學家David Herrera Martí說，“你可以想象有一群小分子機器被一束激光高效地驅(qū)動著?！?/span>引擎是反復(fù)循環(huán)一系列動作從而把能量轉(zhuǎn)化為有用功的一種機器。為了保持發(fā)動機的運轉(zhuǎn)，引擎必須不斷地恢復(fù)到初始狀態(tài)，在此過程中，它需要失去一些熱量。在熱力學第二定律的條件下，不可避免的能量浪費嚴重地限制了熱機的效率，使其低于氣缸設(shè)定的溫度水平。通常一輛汽車會只把25%的汽油能量轉(zhuǎn)化為動力。
然而，美國紐約市羅切斯特大學的Cyril Elouard和Andrew Jordan說，在微小量子的領(lǐng)域，引擎可以從另一種來源獲得能量（即測量一個微小粒子的位置所需的能量），并以幾乎完全的效率使用它。他們兩人設(shè)計了一種方案，例如只要反復(fù)測量粒子的位置，就可以在引力的作用下抬升粒子。
想象電梯地板上有一個保齡球。無論你看它多少次，它的位置都不會變。但當把保齡球縮小到中子大小時，量子力學顯著地改變了這幅圖景。因為中子是如此之小，其位置已無法被準確預(yù)測。相反，它需要用散射的量子波才能被發(fā)現(xiàn)，從而給出在不同地方找到該中子的概率。量子波有些類似懸浮在移動平臺上的一團云，在平臺附近密度很大，而在更高的地方則更稀薄，而中子很可能在平臺附近。但直到測量發(fā)生，中子的位置才能被知曉。
利用量子測量“非此即彼”的性質(zhì)，Elouard和Jordan想知道，測量的中子是在移動平臺上方的一定距離內(nèi)，還是在更遠的地方。如果中子在靠近平臺的區(qū)域內(nèi)，它們實際上會離開平臺；如果中子在靠近平臺的區(qū)域之外，它們會以同樣的設(shè)定距離向平臺上方移動，在重力把中子拉回來之前捕獲中子。研究人員近日在《物理評論快報》上發(fā)表的一項報告中指出，重復(fù)這個過程會逐漸抵抗引力束縛，使中子提升。有趣的是，該平臺本身不會產(chǎn)生提升中子的作用力。相反，提升中子的能量來自于測量本身。
據(jù)計算，該“測量引擎”的效率可以達到99.8%。Jordan說，建立這樣一個引擎是有可能的?！澳悴粫盟鼇磉\行火車頭。”他說，“但你可以運行一個原子或一個分子?！辈贿^，這樣的機器有什么潛在益處有待觀察。
當然，有得必有失。使用準確度較低的測量方法需要更多周期提升中子。因此，量子測量引擎雖然效率很高，但其工作速度卻很慢。Herrera Martí 指出，最終該發(fā)動機也不可能逃脫熱力學第二定律。他說，盡管研究人員沒有具體說明其測量設(shè)備，但它一定是一臺需要浪費能源的大機器。
盡管如此，測量引擎還是在量子力學的工具箱中加入了一個新工具。
（來源：中國科學報）