為什麼做飯不可能又快又好？| 科技袁人_風聞

導言：

熵產生速率與變化時間的乘積有下限，意味着如果想讓一個變化快速發生，它就會產生大量的熵，而如果想讓一個變化少產生熵，就需要等待很長時間。

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本視頻發佈於2022年3月26日，點贊量已達5k

■ 精彩呈現：

學過量子力學的人，甚至沒學過量子力學的人，可能都聽説過著名的測不準原理。實際上這個原理的正式名稱是不確定原理（uncertainty principle），它説的是一個體系的兩種性質的不確定度的乘積有下限。例如位置和動量的不確定度的乘積必然大於等於ℏ/2，其中ℏ是一個自然界基本常數，叫做約化普朗克常數。

近年來一個有趣的進展是，這條原理被擴展到了熱力學中。2020年，兩位盧森堡大學的科學家Gianmaria Falasco和Massimiliano Esposito證明，當一個體系發生變化時，這個變化所需的時間與這個過程的熵產生速率之間的乘積不小於k_B（https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.120604），其中k_B是另一個自然界基本常數，叫做玻爾茲曼常數。

什麼叫做熵產生？學過熱力學的人，甚至沒學過熱力學的人，可能都聽説過熵（entropy），它可以理解為體系的混亂程度。鼎鼎大名的熱力學第二定律，説的就是一個孤立體系的熵只會增加，不會減少。由此可見，熵是可以無中生有的。它跟能量不同，能量是不能創造也不能消滅，而熵是可以創造但不能消滅。因此，就有一個概念“熵產生”（entropy production），度量一個體系創造了多少熵。

熵產生速率與變化時間的乘積有下限，意味着如果想讓一個變化快速發生，它就會產生大量的熵，而如果想讓一個變化少產生熵，就需要等待很長時間。好比做飯，我們或者是蘿蔔快了不洗泥，或者是文火慢燉等很久，無論如何不可能做得又快又好。這是大自然的一個基本性質，Falasco和Esposito把它命名為耗散與時間的不確定關係（dissipation-time uncertainty relation）。

但這只是理論，還沒有得到實驗驗證。最近，中國科學院精密測量科學與技術創新研究院馮芒研究員的團隊與鄭州大學、廣州工業技術研究院、河南大學等單位合作，首次驗證了這個耗散-時間不確定關係（https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.050603），論文發表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）。他們搭建了由單個超冷40Ca+離子構造的量子模擬實驗平台，精巧設計了四個獨立可控的耗散通道，實現了對熱力學過程速度的精準操控。最終結果見論文的圖5，他們給出了若干組實驗中熵產生速率與時間長度的乘積，這個值大的達到k_B的十多倍，但最小的那個剛好就是k_B。

這項工作引起了國際學術界的極大興趣。《物理評論快報》把它作為亮點論文，推選為“編輯推薦” （Editors’ Suggestion）和“特色物理”（Featured in Physics）。美國物理學會網站《Physics》把它作為新聞焦點（Focus）寫了篇介紹文章，標題是《變化速度的極限》（Speed Limit on Change）。

這項工作有助於理解真實的量子操控的速度限制，進一步優化量子測量、操控和量子信息讀取等涉及非平衡熱力學過程的量子技術，同時也再次證明了熱力學在真實的量子過程中所具有的意想不到的作用。尤為重要的是，該項工作展示了單個離子構成的量子模擬器就能精確可信地模擬難以真實觀察到的量子非平衡熱力學過程，這再一次表明量子技術的巨大潛力和作為一項顛覆性技術的未來前景（http://www5.zzu.edu.cn/wuli/info/1011/3760.htm）。