百年老学科的新突围：那些改变我们世界观的热力学研究新进展

我去年去北京的一所物理系所找老朋友蹭年会，听完一位85后青年学者的报告，鸡皮疙瘩掉了一地。 原来我们大学物理课本上那几页薄薄的热力学，早就不是当年我们背的四个定律、算个卡诺循环效率那点事儿了。 这些年的热力学研究，早就杀疯了，从最小的量子粒子，到最大的宇宙黑洞，从新能源发电到抗癌药物研发，到处都是它的影子。

热力学从来不是只研究蒸汽机，它是万物的底层规则

你上学的时候是不是也跟我一样，觉得热力学就是工科生用来设计锅炉、算热机效率的冷门工具？说白了就是给工业革命擦屁股的应用学科？ 说实话我当年也是这么想的。 直到听了那场报告才反应过来，热力学从诞生开始，研究的就是「能量和秩序的关系」，这本来就是所有物质运行的底层逻辑啊。 现代量子热力学实验真空装置图 前十年大家还在吵，宏观的热力学定律放到纳米、量子尺度还好用吗？毕竟经典热力学研究的都是阿伏伽德罗常数量级的粒子，几个几十个粒子的小体系，熵还能按原来的方法算吗？ 现在呢？实验早就做出来了。不仅好用，还长出了一个全新的分支叫量子热力学。科学家已经证实，量子关联本身就是一种可以被提取出来做功的自由能，原来我们之前根本没把这块能量算进去。 去年我看普林斯顿团队发的一篇论文，他们测了单离子体系的瞬时熵变，发现小体系的熵涨落不是完全随机的，只要调控量子相干性，就能稳定得到持续的负熵涨落。 颠覆认知啊。原来混乱也可以被主动操控，不是只能听天由命等着熵增加。 更别说天体物理那边，黑洞的熵、宇宙膨胀的热力学，哪一个离得开现在的热力学研究？霍金当年算黑洞辐射，核心就是热力学啊。

捅破卡诺循环的天花板，热力学研究正在救新能源的命

现在新能源吹得凶，但是热电转换一直卡在瓶颈对不对？废热发电这么多年都推广不开，核心问题就是效率低、功率上不去。 而卡诺循环那个极限，像一块石头压了所有研究者一百多年。对吧？传统平衡态热力学说，你任何热机的效率都不可能超过1-T低温/T高温，这是铁律。 很多人看到这里就要杠了，哦你要推翻热力学第二定律？想当永动机骗子？ 别扯。人家根本没推翻铁律，只是拓展了铁律的适用范围。 新型热电转换材料热力学性能测试装置图 传统卡诺循环是封闭的平衡态循环，现在我们做的是非平衡开放体系的热机。新的热力学研究证明，开放体系下利用量子相干和环境耗散，虽然效率还是逃不出第二定律的限制，但是单位时间的输出功率，可以比传统卡诺循环的上限高出一倍还多。 说白了就是原来你一小时最多发一度电，现在能发两度，成本直接砍一半，这不就有商业化价值了？ 不过话说回来，国内中科大的团队已经做出来厘米级的原型器件了，去年的测试数据出来，功率密度比传统商用热电材料高了1.8倍，已经有企业投钱进去做中试了。 要是真成了，以后钢厂排出的废热、汽车发动机散的热、甚至数据中心服务器发的热，都能低成本发电。你算算全国一年有多少废热被白白排掉？十万亿度都不止啊。这得省多少化石能源？太香了。

生命的本质，居然是个热力学问题

生命的本质，居然是个热力学问题 薛定谔七十多年前那句「生命以负熵为生」，原来大家都只把它当一句浪漫的哲学名言对吧？我原来也觉得，这不就是蹭热力学的热度说生命是什么嘛，能真的拿来做研究？ 现在呢？热力学研究真的把这句话量化了，变成了能治病、能造人工生命的实用工具。 去年Nature上发了一篇文章，科学家用荧光探针测了单个活大肠杆菌细胞的熵产率，发现细胞每一次分裂前，熵产率都会突然飙升三倍，刚好对应DNA复制和蛋白质合成消耗的自由能，分毫不差。 原来生命维持有序的每一步，都明明白白写在热力学数据里。 更绝的是现在抗癌药物研发，都开始用热力学了。癌细胞代谢快，无序程度高，熵产率本来就比正常细胞高一大截，现在科学家研发的新药，就是专门能放大癌细胞的熵涨落，让癌细胞的有序结构撑不住，自己崩解。 完全不用像传统化疗那样不分好坏一起杀，副作用小太多了，现在已经进入临床前试验了，我真觉得这个方向大概率能出颠覆性的新药。 还有现在火得一塌糊涂的合成生物学，你以为最难的是拼接基因吗？不对，最难的是让拼出来的人工细胞一直维持稳态。说白了就是热力学问题，能量流通不对，你把所有元件堆进去，不到半小时整个体系就熵增变混乱，直接死了。现在很多团队就是靠热力学模型优化代谢通路，成功率翻了三倍都不止。 说实话，我接触这些进展之前，真没想到一百多年的老学科，还能这么能打。 很多人一提到基础研究就说，都研究这么多年了还有什么好挖的？你看热力学，当年卡诺就是为了改进蒸汽机写了几页纸，谁能想到一百多年后，热力学研究能帮我们治癌症，帮我们发废电，帮我们算黑洞？ 我们总觉得所有底层规律都被找完了，其实不过是我们原来的眼睛，只能看到平衡态的那一小片天地。走出去，才发现原来还有一整个新世界。 对吧。