Od armat do mechaniki kwantowej

Historia termodynamiki sięga XVIII wieku, gdy Benjamin Thompson, znany jako hrabia Rumford, zauważył, że podczas wiercenia luf armatnich powstaje ogromna ilość ciepła. To odkrycie zapoczątkowało rozwój nauki, która w XIX wieku stała się fundamentem rewolucji przemysłowej.

Reklama

Dziś te same prawa wciąż obowiązują — przynajmniej w skali makroskopowej. Problem pojawia się wtedy, gdy schodzimy do poziomu atomów i fotonów. W świecie kwantowym wszystko jest „małe”, a granica między uporządkowaną energią (pracą) a chaotycznym ruchem (ciepłem) zaczyna się zacierać.

Dlaczego kwanty są tak kłopotliwe?

„W układach kwantowych nie da się już łatwo powiedzieć, co jest pracą, a co ciepłem” — tłumaczy doktorant Aaron Daniel, jeden z autorów badań. W przeciwieństwie do klasycznych maszyn, tu nie mamy tłoków, turbin ani wyraźnych strat energii w postaci ogrzewania.

Aby lepiej to zrozumieć, badacze przyjrzeli się rezonatorom wnękowym — układom, w których światło laserowe odbija się wielokrotnie pomiędzy dwoma lustrami, a następnie częściowo wydostaje się na zewnątrz.

Kluczowa rola światła laserowego

Reklama

Światło laserowe różni się od zwykłego światła tym, że jego fale elektromagnetyczne są idealnie zsynchronizowane. Tę cechę nazywamy koherencją. Jednak gdy laser przechodzi przez wnękę wypełnioną atomami, koherencja może zostać zaburzona — światło staje się częściowo chaotyczne.

I tu pojawia się pytanie, czy takie „nieidealne” światło to jeszcze praca, czy już ciepło?

Praca zapisana w koherencji

Zespół z Bazylei zaproponował sprytne rozwiązanie. Uznał, że część spójna (koherentna) światła może wykonywać pracę, np. ładować hipotetyczną baterię kwantową, a część niespójna odpowiada ciepłu, czyli energii rozproszonej.

Gdy przyjęto taki podział, okazało się, że prawa termodynamiki nadal są spełnione — nawet w świecie kwantowym. To oznacza, że nowa definicja pracy i ciepła jest fizycznie sensowna i matematycznie spójna.

Nowe podejście może mieć znaczenie dla rozwoju technologii kwantowych, sieci kwantowych i przyszłych komputerów kwantowych. Pozwala też lepiej badać granicę między światem klasycznym a kwantowym - czyli moment, w którym znane nam prawa fizyki zaczynają działać „inaczej”.

Źródło: Uniwersytet w Bazylei