这个打破热力学定律、允许时间倒流的理论，能为人类造出史上最高效的机器？

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能量守恒定律的提出者之一尤里乌斯·冯·迈尔

而之后被称作热力学第二定律的法则，则可以追溯到迈尔登上那艘船的二十年以前。当时，蒸汽机正改造着整个欧洲，锅炉与活塞推动着工业革命中每一间厂房运转。萨迪·卡诺，一位法国工程师，对于没人知道这些蒸汽机运行的原理感到很不满，他决定自己探索这个原理。

他最重要的观察是，抛开这些机械部件，热的东西总是会向周围发散热量。比如说蒸汽机里的水，在被加热以后，总有一些热量会发散到周围的空气里，导致任何蒸汽机都无法达到百分之百的效率。1824年，他在他的唯一一本著作中提到，任何热机（利用温度差将热能转为机械能的机器）的效率都无法超过一个特定的上限，现在这个上限被称为卡诺效率。卡诺效率取决于高温热源（热量的来源，比如说用来烧水的火）以及低温热源（热量的去处，比如周围的空气）之间的温度差。

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摆脱不了的熵

卡诺在几年后去世，他的书被忽视了几十年，直到被德国物理学家鲁道夫·克劳修斯注意到。卡诺在书中提到热是一种无重量的物质，叫做“热质”（注：热质是一种假想的流质，物体吸收热质后温度就会升高。热质可以到处流动，从高温物体流到低温物体。卡诺在后期自己也否定了热质学说），但克劳修斯知道热实际上与分子或原子运动的速率有关。于是他修正了卡诺的观点，引入了一个表示无序度的量，他称之为“熵”。无序度越高，熵值就越高。想象你有一个热的盒子，里面充斥着高速运动的粒子；还有一个冷的盒子，里面是缓慢运动的粒子。这样的分配是有序的，因而是低熵的，因为速率和能量接近的粒子都被放在了一起。但克劳修斯说，这个宇宙不喜欢低熵的状态。所以如果你打开这两个盒子并把它们放到一起，里面的粒子就会自动混合。这将他引向了第二定律：一个封闭系统的熵值会自然增长，除非你对系统做功来终止这种趋势。

跟随这两条定律的逻辑，你应该能想到哪些事情在宇宙中绝不可能发生。天体物理学家亚瑟·爱丁顿曾说：“如果你发现你的理论违反了热力学第二定律，那你就不要指望什么了。你的理论只能让你陷入最深的羞耻。”

那我的那台机器的设想呢？它看上去就像从天上掉馅饼一样不靠谱。实际上，已经有过关于能打破热力学规律的机器的设想了——我们称之为永动机，而且我们知道，这是科学江湖骗子的代名词。但我走廊尽头的那台机器并不是如此。它钻了一个神秘却合理的空子：量子物理。

热力学诞生于量子物理之前；实际上，热力学还催生了量子物理。1900年，德国物理学家马克斯·普朗克正在研究一种叫黑体的假想物体的性质。黑体能够吸收所有落在它表面的辐射，然后释放出来。当时最杰出的物理学家们都认为能量是无限可分的，当辐射频率较大时，根据计算，黑体会辐射出无穷大的能量。这明显是不可能的。普朗克解决了这个问题。他提出，能量可以被分成一个个不可分的基础能量单位，他称之为量子。

这一飞跃解决了许多棘手的物理问题。但当我们开始研究粒子在量子物理“剧本”下的表现时，我们发现它们表现出一些非同寻常的特性。一个最有名的例子就是量子纠缠：当两个微观粒子纠缠到一起时，改变其中一个粒子的同时能够改变另一个粒子的特性。还有一个有名的例子，就是量子态叠加：一个原子可以同时处于低能和高能状态。

这些行为几乎打破了所有惯常的经典力学规则。我们有任何理由相信热力学就不会被打破吗？直到五年前我们才有条件去探索这些问题。就拿托比亚斯·舍茨在德国弗赖堡高等研究院的研究来说，2016年，他提出了一个实验：给晶体中的离子施加一些能量，然后观察它们如何冷却。结果是这些离子并没有像咖啡那样逐渐冷却，它们的能量在下降一段时间后，又突然迅速回升。这证明了我们一直以来的猜测：经典热力学的规则在量子世界中并不一直成立。

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