科學家提出高效驅動微型引擎概念

要測量一個原子，不可能不擾動它，至少根據量子力學是這樣的。但兩名物理學家報告稱，這一效應似乎有點麻煩，但它可以驅動一個微型引擎以近乎100%的效率運行——遠高於汽車引擎的效率。目前，這一「測量引擎」仍是純假設，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。」法國蒙特邦奧聖馬爾坦市投資量子計算的人工智慧公司ProbaYes的物理學家David Herrera Martí說，「你可以想像有一群小分子機器被一束激光高效地驅動著。」

引擎是反覆循環一系列動作從而把能量轉化為有用功的一種機器。為了保持發動機的運轉，引擎必須不斷地恢復到初始狀態，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，使其低於氣缸設定的溫度水平。通常一輛汽車會只把25%的汽油能量轉化為動力。

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），並以幾乎完全的效率使用它。他們兩人設計了一種方案，例如只要反覆測量粒子的位置，就可以在引力的作用下抬升粒子。

想像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測。相反，它需要用散射的量子波才能被發現，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台上的一團雲，在平台附近密度很大，而在更高的地方則更稀薄，而中子很可能在平台附近。但直到測量發生，中子的位置才能被知曉。

利用量子測量「非此即彼」的性質，Elouard和Jordan想知道，測量的中子是在移動平台上方的一定距離內，還是在更遠的地方。如果中子在靠近平台的區域內，它們實際上會離開平台；如果中子在靠近平台的區域之外，它們會以同樣的設定距離向平台上方移動，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》上發表的一項報告中指出，重複這個過程會逐漸抵抗引力束縛，使中子提升。有趣的是，該平台本身不會產生提升中子的作用力。相反，提升中子的能量來自於測量本身。

據計算，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。「你不會用它來運行火車頭。」他說，「但你可以運行一個原子或一個分子。」不過，這樣的機器有什麼潛在益處有待觀察。

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，最終該發動機也不可能逃脫熱力學第二定律。他說，儘管研究人員沒有具體說明其測量設備，但它一定是一台需要浪費能源的大機器。

儘管如此，測量引擎還是在量子力學的工具箱中加入了一個新工具。

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