研究简介：利用悬浮小球验证涨落定理

[涨落定理是统计物理近年来突破性的理论进展。APS旗下《Physics》于2月22日介绍了中国学者参与合作的验证涨落定理的研究工作。京师物理公众号特邀请原作者之一北京大学潘瑞同学将其译为中文。]

通过测量悬浮于光学势阱中的纳米小球的运动来验证描述微观物体热涨落的热力学定理。

破镜难以重圆。但是这对于微观物体来说并不总是对的。在微观世界，倒过来放的电影可能是真实存在的。为了理解这种微观可逆性，在过去的二十多年里，研究者们得到了一些有关的热力学关系式。最近，一个通过追踪光学悬浮纳米小球瞬时位置和瞬时速度的新实验验证了这些关系式，包括Jarzynski等式和微分涨落定理。这个实验给了我们对于这些定理更好的理解，并且为理解“时间之矢”的起源提供了重要的见解。

譬如生物分子和纳米机器的微观物体会感受到杂乱的非平衡涨落，这些涨落可能导致熵减，从而违反热力学第二定律。但是研究者们已经发现了这些涨落会遵循的一些统计规律。微分涨落定理便是其中很重要的一个，它把正过程（譬如一个物体从x₁位置运动到x₂位置）的概率和对应逆过程（从x₂位置运动到x₁位置）的概率联系到了一起。

美国印第安纳州普渡大学的李统藏（Tongcang Li）教授和他的合作者们第一次通过实验验证了微分涨落定理，他们的实验系统可以产生任意初态。通过一束纵向聚焦的激光，他们悬浮了一个二氧化硅纳米小球，同时连续测量小球的瞬时位置和瞬时速度以得到它的运动轨迹。同时，他们通过第二束激光对小球施加一个横向的光力来对其做功并实现非平衡过程。经过重复超过一百万次横向激光力的开关循环，他们采集了小球从特定起始位置和终止位置（x₁到x₂）或者速度的运动轨迹的大数据。实验关于正过程和逆过程的统计规律与微分涨落定理和其他关系式的预测完全吻合。在未来的研究里，纳米小球可以被冷却至接近零温以研究量子涨落如何影响热力学。

此项研究已被发表于Physical Review Letters。

[本篇Physics简介文章作者Michael Schirber是Physics位于法国里昂的通讯编辑]