Физичари су пронашли начин да натерају термодинамику да функционише у квантном свету
Године 1798, официр и физичар Бенџамин Томпсон (звани гроф Румфорд) направио је једноставно, али моћно запажање док је гледао како се буше топовске цеви у Минхену. Метал се током процеса непрестано загревао, што га је довело до закључка да топлота није физичка супстанца. Уместо тога, може се производити бесконачно механичким трењем.
Да би тестирао ову идеју, Румфорд је ставио топовске цеви у воду и одредио колико је времена потребно да вода прокључа. Његова мерења су показала да само кретање може да генерише велике количине топлоте. Експерименти попут ових поставили су темеље за термодинамику у 19. веку. У почетку је ово ново поље играло кључну улогу у индустријској револуцији објашњавајући како се топлота може ефикасно претворити у користан рад, као што је покретање парних машина.
Основни закони енергије и нереда
Данас су закони термодинамике темељно знање за научнике. Они наводе да у затвореном систему укупна количина енергије остаје иста, било да се појављује као топлота или рад. Они такође описују ентропију, меру поремећаја, која се никада не смањује током времена.
Иако ови принципи важе у свакодневним ситуацијама, проблеми настају када научници покушају да их примене на изузетно мале системе којима управља квантна физика. У тој скали, познате идеје о топлоти и раду почињу да се замагљују.
Квантни изазов класичној физици
Истраживачи са Универзитета у Базелу, предвођени професором Патриком Потсом, развили су нови приступ дефинисању термодинамичких величина за одређене квантне системе. Њихови налази су недавно објављени у научном часопису Пхисицал Ревиев Леттерс.
„Проблем који имамо са термодинамичким описом квантних система је тај што је у таквим системима све микроскопско. То значи да разлика између рада, који је корисна макроскопска енергија, и топлоте, или неуређеног микроскопског кретања, више није јасна“, објашњава докторант Арон Данијел.
Ласерско светло у шупљини
Да би истражио овај изазов, тим је проучавао резонаторе шупљина. Ови системи хватају ласерску светлост између два огледала, узрокујући да се светлост одбија напред-назад пре него што део на крају побегне.
Ласерско светло се разликује од светлости коју производе сијалице или ЛЕД диоде јер се његови електромагнетни таласи крећу савршено синхронизовано. Када ласерска светлост путује кроз шупљину испуњену атомима, ова синхронизација, позната као кохерентност, може бити поремећена. Као резултат, светлост може постати делимично или потпуно некохерентна (што одговара несређеном кретању честица). „Кохерентност светлости у таквом систему ласерске шупљине била је почетна тачка наших прорачуна“, каже Макс Шраувен, студент првоступника укључен у студију.
Ворк би Цохеренце
Истраживачи су почели разјашњавајући шта „рад“ значи за ласерско светло. Један пример је могућност пуњења такозване квантне батерије, за коју је потребна кохерентна светлост која може колективно гурнути атоме у побуђено стање. Једноставна претпоставка би била да улазна кохерентна светлост обавља рад, док излазна светлост, изгубивши извесну кохерентност, представља топлоту.
Али ситуација је суптилнија. Чак и светлост која је постала делимично некохерентна и даље може да обавља користан посао, само мање ефикасно од потпуно кохерентне светлости. Данијел и његове колеге су испитали шта се дешава ако се само кохерентни део излазне светлости рачуна као рад, док се некохерентни део третира као топлота. Са овом дефиницијом, оба закона термодинамике остају на снази, показујући да је оквир самодоследан.
Импликације за квантну технологију
„У будућности можемо користити наш формализам да размотримо суптилније проблеме у квантној термодинамици“, каже Даниел. Овај приступ би се могао показати вредним за нове квантне технологије, укључујући квантне мреже. Такође може помоћи научницима да боље разумеју како познато класично понашање произлази из основног квантног света.
