为什么做饭不可能又快又好？| 科技袁人

导言：

熵产生速率与变化时间的乘积有下限，意味着如果想让一个变化快速发生，它就会产生大量的熵，而如果想让一个变化少产生熵，就需要等待很长时间。

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 https://v.douyin.com/YLdugLe/ 本视频发布于2022年3月26日，点赞量已达5k

■ 精彩呈现：

学过量子力学的人，甚至没学过量子力学的人，可能都听说过著名的测不准原理。实际上这个原理的正式名称是不确定原理（uncertainty principle），它说的是一个体系的两种性质的不确定度的乘积有下限。例如位置和动量的不确定度的乘积必然大于等于ℏ/2，其中ℏ是一个自然界基本常数，叫做约化普朗克常数。

近年来一个有趣的进展是，这条原理被扩展到了热力学中。2020年，两位卢森堡大学的科学家Gianmaria Falasco和Massimiliano Esposito证明，当一个体系发生变化时，这个变化所需的时间与这个过程的熵产生速率之间的乘积不小于k_B（https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.120604），其中k_B是另一个自然界基本常数，叫做玻尔兹曼常数。

什么叫做熵产生？学过热力学的人，甚至没学过热力学的人，可能都听说过熵（entropy），它可以理解为体系的混乱程度。鼎鼎大名的热力学第二定律，说的就是一个孤立体系的熵只会增加，不会减少。由此可见，熵是可以无中生有的。它跟能量不同，能量是不能创造也不能消灭，而熵是可以创造但不能消灭。因此，就有一个概念“熵产生”（entropy production），度量一个体系创造了多少熵。

熵产生速率与变化时间的乘积有下限，意味着如果想让一个变化快速发生，它就会产生大量的熵，而如果想让一个变化少产生熵，就需要等待很长时间。好比做饭，我们或者是萝卜快了不洗泥，或者是文火慢炖等很久，无论如何不可能做得又快又好。这是大自然的一个基本性质，Falasco和Esposito把它命名为耗散与时间的不确定关系（dissipation-time uncertainty relation）。

但这只是理论，还没有得到实验验证。最近，中国科学院精密测量科学与技术创新研究院冯芒研究员的团队与郑州大学、广州工业技术研究院、河南大学等单位合作，首次验证了这个耗散-时间不确定关系（https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.050603），论文发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）。他们搭建了由单个超冷40Ca+离子构造的量子模拟实验平台，精巧设计了四个独立可控的耗散通道，实现了对热力学过程速度的精准操控。最终结果见论文的图5，他们给出了若干组实验中熵产生速率与时间长度的乘积，这个值大的达到k_B的十多倍，但最小的那个刚好就是k_B。

这项工作引起了国际学术界的极大兴趣。《物理评论快报》把它作为亮点论文，推选为“编辑推荐” （Editors’ Suggestion）和“特色物理”（Featured in Physics）。美国物理学会网站《Physics》把它作为新闻焦点（Focus）写了篇介绍文章，标题是《变化速度的极限》（Speed Limit on Change）。

这项工作有助于理解真实的量子操控的速度限制，进一步优化量子测量、操控和量子信息读取等涉及非平衡热力学过程的量子技术，同时也再次证明了热力学在真实的量子过程中所具有的意想不到的作用。尤为重要的是，该项工作展示了单个离子构成的量子模拟器就能精确可信地模拟难以真实观察到的量子非平衡热力学过程，这再一次表明量子技术的巨大潜力和作为一项颠覆性技术的未来前景（http://www5.zzu.edu.cn/wuli/info/1011/3760.htm）。

■ 扩展阅读：

■ 作者简介：本文作者袁岚峰，中国科学技术大学化学博士，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心副研究员，中国科学技术大学科技传播系副主任，中国科学院科学传播研究中心副主任，科技与战略风云学会会长，“科技袁人”节目主讲人，安徽省科学技术协会常务委员，中国青少年新媒体协会常务理事，中国科普作家协会理事，入选“典赞·2018科普中国”十大科学传播人物，微博@中科大胡不归，知乎@袁岚峰（https://www.zhihu.com/people/yuan-lan-feng-8）。

■ 责任编辑：羊羊

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