尺寸在纳米范围内的物体|热力学第二定律：纳米尺度

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尺寸在纳米范围内的物体，例如活细胞或纳米技术装置的分子构建块，不断地暴露于与周围分子的随机碰撞，在这种波动的环境中，需要重写控制我们宏观世界的热力学基本定律，来自巴塞罗那，苏黎世和维也纳的一个国际研究团队发现，被激光束缚的纳米粒子暂时违反了着名的热力学第二定律，这在人类的时间和长度尺度上是不可能的。

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看一部反向播放的电影经常会让我们大笑，因为意外和神秘的事情似乎发生了：躺在地板上的玻璃碎片慢慢开始朝着对方移动，神奇地组装起来，突然一个完整的玻璃杯跳到桌子上，轻轻地到达停，或者雪从阳光下的水坑开始，逐渐增长，直到整个雪人看起来好像被一只看不见的手塑造，当我们看到这样的场景时，我们立即意识到，根据我们的日常经验，某些东西是不同寻常的，实际上，自然界中有许多过程永远无法逆转，捕获这种行为的物理定律是着名的热力学第二定律，它假设一个系统的熵，一个系统无序的度量，永远不会自发地减少，然而，当我们放大原子和分子的微观世界时，这个定律会软化并失去它的绝对严格性，实际上，在纳米尺度上，第二定律可能会被短暂违反，在极少数情况下，人们可能会观察到在宏观尺度上从未发生的事件，例如从冷到热的热传递，这在我们的日常生活中是闻所未闻的，虽然平均而言，即使在纳米尺度系统中，热力学第二定律仍然有效，但科学家对这些罕见事件很感兴趣，并且正在研究纳米级不可逆性的意义。

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最近，维也纳大学的物理学家团队，巴塞罗那的光子科学研究所和苏黎世的瑞士联邦理工学院成功地准确预测了事件短暂违反热力学第二定律的可能性，他们立即将他们得出的数学波动定理放在测试中，使用直径小于100纳米的微小玻璃球悬浮在激光陷阱中，他们的实验装置使研究团队能够捕获纳米球并将其固定到位，并且还可以精确地测量其在所有三个空间方向上的位置，在陷阱中，纳米球由于与周围气体分子的碰撞而发出嘎嘎声，通过巧妙地操纵激光阱，科学家将纳米球冷却到低于周围气体的温度，从而使其处于非平衡状态，然后他们关闭冷却并观察颗粒通过气体分子的能量转移而放松到更高的温度，研究人员观察到，微小的玻璃球有时虽然很少，但根据第二定律并不像人们所期望的那样：纳米球有效地将热量释放到较热的环境而不是吸收热量，研究人员分析该实验得出的理论证实了关于纳米尺度第二定律局限性的新兴图景，然后他们关闭冷却并观察颗粒通过气体分子的能量转移而放松到更高的温度，研究人员观察到，微小的玻璃球有时虽然很少，但根据第二定律并不像人们所期望的那样：纳米球有效地将热量释放到较热的环境而不是吸收热量，研究人员分析该实验得出的理论证实了关于纳米尺度第二定律局限性的新兴图景，然后他们关闭冷却并观察颗粒通过气体分子的能量转移而放松到更高的温度，研究人员观察到，微小的玻璃球有时虽然很少，但根据第二定律并不像人们所期望的那样：纳米球有效地将热量释放到较热的环境而不是吸收热量，研究人员分析该实验得出的理论证实了关于纳米尺度第二定律局限性的新兴图景。