Чудна правила температуре постају још чуднија у квантном царству

Следи извод из нашег билтена Лост ин Спаце-Тиме. Сваког месеца урањамо у фасцинантне идеје из целог универзума. Можеш пријавите се за Изгубљени у свемирском времену овде.

Једна од апсурднијих ствари у вези са науком је да можете провести године проучавајући и читајући о најдубљим мистеријама универзума – тамној материји, квантној гравитацији, природи времена – а да вас ипак саплиће нешто варљиво једноставно. Добитник Нобелове награде теоријски физичар Ричард Фајнман је славно признао да као студент није баш разумео зашто огледала окрећу слике лево-десно, а не горе-доле. Ја нисам Фејнман; Знам како функционишу огледала. Али ја сам имао свој скромни обрачун са очигледним: температуром.

Знали смо да ствари могу бити вруће или хладне од када је прво дете у пећини гурнуло руку у ватру и на њега је викао забринути родитељ. Али оно што подразумевамо под температуром се много променило током векова, и наставља да се развија и данас, док га физичари гурају у чудније, квантне углове.

Моја четка са овим дошао је преко мог партнера, који је једном питао: „Моја лепа и запањујуће интелигентна жено, зар ниси студирала физику? Онда ми реци да ли једна честица може имати температуру?“ Можда мало парафразирам, али то је у суштини било његово питање.

Сада, његова почетна слутња је била тачна: не, не може, не баш. Већина љубитеља науке зна да температура није нешто што можете приписати само једној честици. Посао топлог и хладног има смисла само као својство система са много, много честица – ствари попут клипова напуњених гасом, лонаца кафе или звезда. То је зато што је температура, како је обично дефинишемо, нека врста скраћенице. Он хвата просечну енергију микроскопских компоненти система када се поскакују и равномерно распореде своју енергију, достижући стање познато као равнотежа.

Замислите то као мердевине, где свака пречка представља другачији ниво енергије. Што је пречка виша, то честица има више енергије. Када има пуно честица, очекујемо да ће се предвидљиво распоредити по пречкама. Већина честица се таложи близу дна, неколико има довољно енергије да се попне за једну степеницу више, а мање више од тога. Резултат је глатки, опадајући број честица док се пењете уз мердевине.

Али зашто дефинишемо температуру на овај начин? Наравно, то је просек, али не постоји ништа у математици што нам забрањује да узмемо средњу вредност скупа података са једном тачком. Ако постоји једна висока особа у просторији, не трепћемо када називамо просечну висину људи у тој просторији 6 стопа. Зашто не урадите исто и овде?

То је зато што температура није само дескриптивна, већ и предиктивна. За научнике који су покушавали да искористе снагу горива, ватре и паре у 17. и 18. веку, било је најкорисније да им температура каже шта ће се догодити када два система буду у интеракцији.

То је довело до нултог закона термодинамике, последњег од ових закона који је успостављен, али најосновнијег. То иде овако: ако термометар достигне 80°Ц у шољи топле воде, а такође достигне 80°Ц у шољи топлог млека, онда ако помешамо две течности, између њих не би требало да постоји нето размена топлоте. Ово може звучати очигледно – чак и банално – али то је основа класичне термометрије.

И важи само зато што се велики системи понашају на статистички стабилан начин. Мале флуктуације у енергији између специфичних честица се испиру и закон великих бројева нам омогућава да напишемо резултате који се могу генерализовати.

Термодинамика је на тај начин чудна. За разлику од, рецимо, закона кретања Исака Њутна, који добро функционишу за једну јабуку која пада или хиљаду, термодинамички закони се појављују само у скали. Они се ослањају на просеке, ансамбле и математичку магију која се дешава када се ваш број честица попне на милијарде.

Дакле: појединачне честице немају температуру. Случај затворен.

Или сам бар тако мислио. Али баш када сам се осећао спремним да идем даље, физика ми је бацила лопту. Прво мртво признање да ће ствари постати заиста чудне је да се многи квантни системи састоје од врло мало честица које никада немају стабилна својства.

Сићушни системи – попут појединачних атома или сингуларних спинова – могу бити заробљена стања која се никада не слегну. Неки су чак намерно дизајнирани да се у потпуности одупру мирном стању равнотеже. Дакле, ако температура треба да опише шта се дешава након што се ствари смире, зар се онда наша дефиниција температуре не распада?

Физичари су напорно радили на поновном постављању температуре од темеља навише, с обзиром на то шта уопште значи имати температуру у квантном подручју.

У истом духу као и пионири термодинамике, истраживачи се сада не питају шта је температура, већ шта ради. Ако узмемо квантни систем и повежемо га са нечим другим, у ком правцу се креће топлота? Може ли систем да загреје свог суседа? Може ли га охладити?

У квантном свету, одговор може бити обоје! Вратимо се температурној лествици по којој честице могу да се попну. У класичном свету, правила температуре овде су једноставна. Када су две мердевине (два система) у интеракцији, енергија увек тече из система са више честица на вишим пречкама у онај са мање.

Али квантни систем не поштује иста правила. Квантни системи не би могли да имају честице на доњој пречки, а уместо тога да их све имају гужве на пречкама више. Могли би имати неједнаке дистрибуције честица подједнако распоређених на свим пречкама. Суперпозиција такође омогућава постојање честица између пречки. Када квантна механика уђе у игру, наше мердевине више нису оно што физичари називају „термички уређеним“.

Због тога је тешко предвидети како би топлота могла тећи ако би једна мердевина била у интеракцији са нечим. Да би се изборили са тим, физичари су развили необично решење: нека квантни системи имају две температуре. Замислите неку врсту референтне лествице која представља једноставан термални систем. Једна температура вам говори о најтоплијим таквим мердевинама са којих ваш систем још увек може да повуче топлоту. Други вам говори о најхладнијим мердевинама до којих ваш систем може да подстакне топлоту. Изван ове заграде, топлота тече у предвидљивом правцу, али унутар ње, исход зависи од тачне природе квантног система. То је нови нулти закон термодинамике, нешто што нам може помоћи да обновимо логику како топлота тече у квантном свету.

Ове две границе одражавају потенцијал система да даје или узима енергију, без обзира да ли је у стању равнотеже. Најважније је да ове температуре не зависе само од енергије, већ и од тога како је та енергија структурисана: како су квантне честице или стања распоређене по енергетским нивоима и какве транзиције подржава цео систем.

И као и њихови термодинамички претходници, квантни физичари су заинтересовани да њихови системи функционишу. Замислите два атома која су уплетена – њихова својства су толико уско повезана да мерење једног утиче на друго. Сада изложите један атом околини. Када тај атом добије или изгуби енергију, он повлачи невидљиву квантну везу која повезује пар. Разбијање или деградирање те везе има цену, као што је пуцање истегнуте гумене траке. Ово ствара ток топлоте који се не би десио без квантне везе, која се затим може искористити – спајањем атома на сићушни квантни „клип“ – за обављање посла, све док се заплетање не потроши. Додељивањем ефективних топлих и хладних температура било ком квантном стању, истраживачи могу да одреде када систем може поуздано да преноси топлоту, издваја рад или покреће задатке као што су хлађење и рачунарство.

Ако сте стигли довде, ево мог признања: расправљао сам са својим партнером да једна честица може имати температуру, упркос томе што је његова интуиција тачна. То што сам болни губитник натерало ме да се спустим у велику зечју рупу – и на дну, открио сам да смо обоје у праву, некако. Једна честица не може имати а температура, али може имати две.