在量子等温过程中，量子系统的内能发生变化，而
在以经典理想气体为工作物质的经典等温过程中，工作物质的内能不变
第四章量子热机的微观模型II - 非平衡态情形
4.1 基于理想腔量子电动力学系统的量子热机（光子热机）
前面一章提到的量子热机其实都只是平衡态情形的（未考虑量子相干性
的）热机。作为工作物质的量子力学系统具有离散能级结构（能级差与普朗克
常数有关）。我们讨论的热机模型只是在这一意义上讲是“量子的”。这是关于
量子热机的研究的第一步。量子系统还有一个更为显著的效应{量子相干性{在
前一章没有被考虑。接下来，我们将在上一章工作的基础上进一步探讨量子相
干性对量子热机的影响。其实，研究量子热机的一个重要动机是希望发挥工作
物质的量子相干性这一优势，使量子热机在一个循环中的对外做功量和热机的
效率有所提高[58, 59, 74, 77]。Marlan O. Scully和他的合作者最近设计了一种基
于腔量子电动力学系统的量子热机[56, 78, 79]，也就是光子热机（见图4.1）[64]。
他们设计的热机以微波激射器中的单模光子作为工作物质
我们熟悉的相变现象一般都是由于改变系统的温度
引起的，如冰熔化的水，还有加热一个磁铁使它的磁性消失（铁磁-顺磁相变）。
从物理上讲这类相变是由于热涨落引起的，我们通常称之为“经典相变”。另外
还有一类我们不太熟悉的发生在绝对零温时候的相变，这类相变一般是由系统
的哈密顿量的某个参数引起的，比如外磁场强度。研究发现，这类相变是由海
森堡不确定关系引起的量子涨落带来的，因为零温时热涨落完全消失[97]。由于
这类相变完全是由量子效应引起的，因此我们称它为量子相变。由于量子相变
发生在极低温时，它对实验技术的要求非常高。要想从实验上观察到量子相变
现象是非常困难的。直到最近物理学家才第一次从实验上[25]观察到了量子相
变现象：光晶格中的冷原子的超流-莫特绝缘体相变[98]。当光晶格势阱的深度
不是很深时，冷原子可以在各个势阱中自由穿梭，这就是超流相；但是当势阱的
深度超过某一临界值后，原子就被限制在光晶格的各个势阱中，不能再在晶格
的各个势阱间自由隧穿，这就是绝缘相
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