Odkrycie ze Stuttgartu

Dwaj fizycy z University of Stuttgart udowodnili, że zasada Carnota nie opisuje w pełni zjawisk zachodzących w skali kwantowej. Ich praca, opublikowana w prestiżowym czasopiśmie Science Advances, pokazuje, że mikroskopijne silniki – nawet takie o rozmiarach pojedynczego atomu – mogą osiągać sprawność wyższą niż klasyczna granica Carnota.

Reklama

Jak to możliwe? Kluczem okazują się korelacje kwantowe – subtelne, ale potężne powiązania między cząstkami, które nie mają odpowiednika w świecie makroskopowym.

Silniki mniejsze niż atom

Silniki spalinowe i turbiny parowe zamieniają ciepło w ruch mechaniczny – dokładnie to samo próbują robić ich kwantowe odpowiedniki, tyle że w skali nano. Jak wyjaśnia Eric Lutz, mikrosilniki o rozmiarach pojedynczego atomu nie są już tylko fantastyką naukową. Co więcej, teoria pokazuje, że mogą one działać wyjątkowo efektywnie.

W przeciwieństwie do klasycznych maszyn, silniki kwantowe potrafią wykorzystywać nie tylko ciepło, ale również energię zgromadzoną w korelacjach między cząstkami. To dodatkowe „źródło mocy” pozwala im wykonać więcej pracy, niż przewidują tradycyjne prawa termodynamiki.

Reklama

Czy druga zasada termodynamiki jest zagrożona?

Spokojnie – druga zasada termodynamiki nie zostaje obalona. Zostaje natomiast rozszerzona. Klasyczna wersja tej zasady powstała z myślą o dużych obiektach: tłokach, turbinach czy silnikach parowych. W świecie atomów obowiązują jednak dodatkowe reguły wynikające z mechaniki kwantowej.

Naukowcy ze Stuttgartu po raz pierwszy wyprowadzili uogólnione prawa termodynamiki, które w pełni uwzględniają korelacje kwantowe. To właśnie one sprawiają, że granica Carnota przestaje być absolutna w mikroskali.

Technologie przyszłości

Choć odkrycie ma charakter teoretyczny, jego potencjalne zastosowania rozpalają wyobraźnię. Lepsze zrozumienie praw rządzących światem atomów może w przyszłości umożliwić budowę ultraefektywnych silników kwantowych, rozwój nanobotów medycznych, zdolnych do precyzyjnych działań w organizmie człowieka, czy też tworzenie maszyn manipulujących materią na poziomie pojedynczych atomów. Jak podkreślają autorzy badania, im lepiej poznamy fundamentalne prawa fizyki w skali kwantowej, tym szybciej będziemy w stanie przekuć je w realne technologie.

Granice, które nie są ostateczne

Historia fizyki pokazuje, że prawa uznawane za absolutne często okazują się przybliżeniem – doskonałym w jednym świecie, ale niewystarczającym w innym. Zasada Carnota wciąż doskonale opisuje działanie silników parowych, lecz w świecie atomów pałeczkę przejmuje mechanika kwantowa. I to właśnie tam, w najmniejszej możliwej skali, mogą kryć się najbardziej wydajne maszyny przyszłości.

Źródło: University of Stuttgart