從19世紀末開始，物理學家就知道能量從一個物體轉移到另一個物體與熵有關。人們很快認識到，這個量具有根本性的重要性，于是它開始作為物理、化學和工程學中有用的理論量而興盛起來，然而，它往往卻很難衡量。基爾大學(CAU)的Dietmar Block教授和Frank Wieben教授現在在著名的科學期刊《物理評論快報》上發表了他們的新研究：現在已經成功地測量了複雜等離子體中的熵。
在這種電離氣體中的帶電微粒系統中，研究人員能夠同時測量粒子的所有位置和速度。通過這種方式，能夠确定熵，正如物理學家路德維希·博爾茲曼(Ludwig Boltzmann)在1880年左右已經在理論上描述的那樣，等離子體中令人驚訝的熱力學平衡。通過實驗，科學家能夠證明：在複雜等離子體的重要模型系統中，熱力學基本原理都得到了滿足。令人驚訝的是，這适用于遠離熱力學平衡等離子體中的微粒。
在實驗中，能夠通過激光束調整微粒的熱運動。使用視頻顯微鏡，可以實時觀察粒子的動态行為，并從收集的信息中确定熵。因此，該研究為未來強耦合系統熱力學的基礎研究奠定了基礎。中國科學院實驗與應用物理研究所的Dietmar Block教授說：這些研究也适用于其他系統，這一成功的原因在很大程度上要歸功于結果和診斷技術。一項日常實驗說明了熵：如果你把一容器熱水倒入一容器冷水中，混合物比熱水冷，比冷水熱。
但是，你不能撤銷這個過程，因為它是不可逆的：中溫的水不能分成一個裝熱水的容器中和一個裝冷水的容器中。這個過程不可逆的原因是熵，熱力學第二定律指出，封閉系統中的熵永遠不會随着時間的推移而減小。因此，冷熱水的混合必須增加熵。或者，熵也可以與無序程度或随機性相關。用高度簡化的術語來說，你可以說系統本身不會改變成更有序的狀态。
如果有人必須創造秩序，但混亂可能會自行産生。在二維等離子體晶體實驗中，測量了在不同溫度下，在兩個态之間轉移的體系的熵變化。單組分，特别是雙組分的塵埃團被限制在等離子體鞘中，并利用激光操縱加熱到不同的溫度。研究發現，從相空間得到的熵，對于熱容的結果是一緻的，即熱容與杜龍-珀蒂特定律符合得很好，研究還讨論了有限尺寸複雜等離子體熱力學基本原理的正确性。
博科園｜研究/來自：基爾大學
參考期刊《物理評論快報》
DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.225001
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