Термодинамика родилась, когда паровые двигатели привели к промышленной революции. Дальнейшее развитие технологий обеспечивает перемещение центра исследований от крупных макросистем к молекулярным двигателям и микрохолодильникам. В настоящее время необходимо исследовать вопрос, каким образом, можно применить такие термодинамические понятия, как тепло, работа и равновесные системы к квантовым состояниям.
Памятка из термодинамики
Классическая термодинамика описывает многочастичные системы: температура, давление, объём, энергия. При этом энергия делится на рабочую и тепловую. Работа – это хорошо организованная энергия, используемая для разных целей, например, для механического движения. В термодинамике количественная оценка случайного поведения частиц определяется с помощью понятия энтропии. Каждая частица в сосуде с газом или паром характеризуется импульсом (масса частицы, умноженная на скорость). Импульс является векторной величиной и показывает направление движения. Совокупность положений и импульсов частиц называется макросостоянием газа или пара. Знать микросостояния отдельной частицы или их небольшого количества оказывается невозможным, поскольку их количество составляет величину 10 в 24 степени. Вместо этого производится усреднённая оценка всех микросостояний вещества. Именно энтропия количественно определяет неопределённость, имеющую вероятностную природу. Согласно второму закону термодинамики энтропия замкнутой и изолированной системы не может уменьшаться. Следствием этого закона является увеличение энтропии, так система пытается выровнять вероятности своих состояний, стремясь к полному беспорядку. В результате энергия становится всё менее упорядоченной и менее полезной, поскольку она распространяется от горячих тел к холодным, уменьшая температурные различия.
Из открытия Карно следует, что для выполнения полезной работы требуется горячее и холодное тело. Причём эффективность двигателя зависит только от разницы температур между источником тепла и теплоотведением (своего рода холодильником). Работа классического теплового двигателя является разностью между подведённым и отведённым теплом, вследствии чего КПД любой тепловой машины не может соответствовать КПД идеального двигателя, лишь приближаясь к нему.
Хаос и порядок
Австрийский физик Людвиг Больцман утверждал, что увеличение энтропии является следствием законов математической статистики, и при движении частицы стремятся к состоянию с более высокой энтропией. Между тем в письме к Максвеллу был описан мысленный эксперимент, в котором фантастическое существо, названное впоследствии демоном Максвелла, может использовать свои знания для уменьшения энтропии.
Предположим, что демон знает положение и скорость каждой из молекул, находящейся в сосуде с газом. Разделив сосуд на две половины, открывая и закрывая маленькую дверцу между ними, демон способен разграничить быстрые и медленные молекулы в отдельные камеры. В результате газ разделяется на горячий и холодный, тем самым снижая общую энтропию. При этом бывший бесполезный для работы газ с усреднённой температурой теперь можно использовать в тепловой машине. В последующее время учёные долго обсуждали, как закон природы может быть связан с информацией, в данном случае о положении и скорости молекул системы.
Прежде чем перейти к квантовой термодинамике, необходимо рассмотреть вопрос о связи термодинамики с нелинейной динамикой или физикой хаоса. Согласно её представлениям в детерминированных хаотических системах, каковые частично и рассматриваются в термодинамике, возможны локальные переходы из хаоса в порядок. Имеются разные сценарии таких переходов, как последовательность бифуркаций удвоения периода – универсальность Фейгенбаума, кризис и перемежаемость, а так же другие варианты возникновения порядка. Согласно теореме Рамсея в хаосе всегда есть порядок, и хотя он крайне хрупок и существует локально, но он всегда в нём присутствует. Поэтому в термодинамических системах, находящихся в равновесных состояниях, возможны флюктуации, возникновение локальной упорядоченности. Эти процессы недостаточно исследованы. Ограниченные группы атомов и молекул могут уменьшать энтропию. В классической термодинамике информация понимается как негэнтропия. Следовательно, если энтропия есть мера беспорядка, то информация выступает как мера порядка системы. Общей теории информации, как известно, не существует. Тем не менее наиболее распространённый подход к пониманию её сущности связан с вероятностной природой информации. Этот подход разрабатывался Хартли, Шенноном, Винером и другими.
Причём здесь информация?
Американский физик Чарльз Беннетт попытался разрешить парадокс, утверждая, что информация, хранимая в памяти демона, должна очищаться, что требует определённой работы. Дальнейшие исследования показали, что чем больше информации, тем бо́льшую работу можно выполнить. Квантовые компьютеры открывают новые возможности, которые следуют из идей Беннетта. Физики предположили, что передача тепла от нагретого тела к холодному связана с определённым способом передачи информации между частицами. Согласно принципу суперпозиции и запутанности возникают вероятностные комбинации, описывающие их состояния. Со временем взаимодействующие частицы всё больше запутываются, и информация об их индивидуальном состоянии перераспределяется среди множества частиц. Чашка чая охлаждается, поскольку при столкновении молекул чая с воздухом информация просачивается к воздуху, окружающему чашку и теряется в нём.
Вопреки закону
Тем не менее группа исследователей смогла обойти второй закон термодинамики. В ходе эксперимента физики использовали высокую степень коррелированности квантовых частиц, что вытекает из неравенства Белла. Беллу удалось сформулировать условия, отличающие идею скрытых параметров, которую отстаивал Эйнштейн, отрицая вероятностную природу квантовой механики, считая, что бог не играет в кости, от случайной сущностной основы квантовых взаимодействий, базирующихся на теории вероятности. Согласно неравенству Белла квантовые процессы более скоррелированы, чем это следует из теории скрытых параметров. Результаты экспериментов Аспе подтвердили правоту квантовой теории.
Воспользовавшись квантовой коррелированностью частиц, по сути, образующих конструкт квантовой запутанности их состояний, исследователи начали нагревать ядро атома водорода в молекуле трихлорметана. В результате они смогли добиться того, что ядро водорода стало гораздо теплее ядра атома углерода. Оказалось, что когда ядра вещества находились в некоррелированном, хаотическом состоянии, то тепло согласно второму закону термодинамики двигалось от более тёплого атома к более холодному.
Между тем, как только возникла квантовая корреляция, тепло неожиданно начало передаваться от холодного элемента к горячему. В итоге нагретое ядро стало горяче́е, в то время как более холодный сосед заметно остыл. Несмотря на полученные результаты, многие учёные считают, что это не нарушает второй закон термодинамики, поскольку не учитывается корреляция микрообъектов, являясь своего рода исключением. Однако полученные результаты свидетельствуют о необычном поведении простых систем, требующих дальнейшего изучения.
На пути к квантовому двигателю
Квантовая термодинамика описывает микроансамбли частиц вплоть до отдельных атомов, электронов, фотонов, применяя суперпозицию, запутанность и другие особенности квантовых явлений для использования их в практических целях, пытаясь создать более эффективные двигатели – сверхпроводящие кубиты, кудиты для сверхбыстрых вычислений в квантовых компьютерах.
Учёные пытаются создать версию квантового двигателя, который используя свойства квантовых систем, мог бы улучшить или существенно превзойти двигатели традиционные. Применяя квантовые инструменты, такие как охлаждение до сверхнизких температур, помещая охлаждённые атомы в ловушки и воздействуя лазерами, они надеются воплотить теоретический проект в жизнь. Экспериментаторы, создавая квантовые двигатели, теперь манипулируют электронными сверхпроводящими кубитами. Между тем возникает вопрос: будет ли работать двигатель, состоящий из трёх или нескольких атомов вместо классических, где присутствуют 10 в 24 степени частиц? Появление и развитие квантовых двигателей будет зависеть от понимания, каким образом действуют термодинамические законы на сверхмалых пространственных размерах. Тем не менее, выполненные исследования показали, что квантовый двигатель превосходит по мощности существующие устройства. По сути, в настоящее время не происходит изменение термодинамики, но, возможно, открывается её новая, существенная часть.
Немецкие учёные уже сделали шаг к этой цели, создав двигатель на основе одного иона. Несмотря на значительную мощность, превосходящую стандартный тепловой двигатель, Роснагель отмечает, что на практическую реализацию этого подхода потребуются десятилетия. Квантовая термодинамика, без сомнения, может улучшить управление теплом, качественно усилит возможности квантовых компьютеров, а также, как утверждают некоторые физики, нарушит второй закон термодинамики. Это, возможно, приведёт к созданию совершенно необычной техники и технологиям в будущем, предвидеть которые в настоящее время даже не представляется возможным.
Платформа Дзен по определённым причинам меняет алгоритмы показов. Если вы уверены, что подписаны на канал рекомендуется проверить это в связи с возможной автоматической отпиской.
Также материалы по теме «Квантовая механика»:
