Kvantide takerdumine rikub termodünaamika teist seadust
Termodünaamika teine seadus ütleb laias laastus, et te ei saa midagi tühjast välja saada. Kuna näiteks puudub vaba energia, pole võimalik luua pidevat liikumismasinat, ehkki mõned vähemalt uudishimulikud katsetused on juba proovitud.
Sama seaduse teine aspekt on asjaolu, et energia üritab alati ennast tasakaalustada. Kui teil on potti kuuma vett ja valate selle peale natuke külma vett, saate lõpuks sooja vedeliku. Kui soovite seda vett jahutada või kuumutada, peab teil olema väline toiteallikas.
James Maxwell ja tema vaimne harjutus
Kõik oli täiuslik, kuni šotlane James Maxwell soovitas 1867. aastal harjutuse, mis segaks paljude inimeste meelt: Kujutage ette, et teil on anum sooja vett. Selles vees on erineva kiirusega segavaid molekule, "kuumemad" liiguvad kiiresti, "külmemad" aga aeglaselt. Sellest hoolimata on keskmine veetemperatuur soe.
Seejärel tegi Maxwell ettepaneku jagada see anum kaheks pooleks, jättes nende vahel avatuks vaid pisikese ukse, mille suurus oli veemolekul. Ehitage uks nii, et kiired molekulid meelitaksid selle kinni ja koguneksid mahuti poolele ning kui aeglane molekul ukse lähedale jõuab, viiakse see teisele poole.
Nii oleks see uks mõne aja pärast käskinud molekulidel olla kiire ja aeglane, see tähendab, et soe vesi oleks muutunud kuumaks ja külmaks veeks ilma täiendavat energiaallikat kasutamata. Termodünaamika teist seadust on ilmselt rikutud.
Teise seaduse rikkumine praktikas
Maxwelli idee on huvitav, kuid vaimne harjutus. Kuid 2010. aastal näitasid teadlased, et õhumolekulide juhusliku liikumisega on võimalik teha tükike plasti, mille uks on sarnane Maxwelli harjutuses välja pakutud uksega.
Plastikutükk asetatakse väikese redeli algusesse ja hakkab järsku ülespoole suruma. Iga kord, kui ta seda teeb, suletakse tema all otse elektriuks. Selles pordis kasutatav energia on ülejäänud süsteemist isoleeritud, veendumaks, et see ei sega katset. Aja jooksul jõuab plast treppide ülaossa, ilma et sellele oleks rakendatud välist energiat.
Teabe muutmine energiaks
Pärast nende juhtumite põhjalikku uurimist on füüsikud jõudnud järeldusele, et need katsed sõltuvad palju väga täpsest teabest süsteemi kohta, milles neid tehakse. Maxwelli vaimse harjutuse tegemisel peate teadma liikuvate molekulide kiirust ja 2010. aasta praktilises katses peate alati jälgima plastdetaili positsiooni.
Kõik need mõõtmised sõltuvad energiast, mis omakorda üritab tasakaalustada ennast "vaba" energiaga, mis on väljaspool süsteemi. Teisisõnu, see, mis juhtub, on teabe muundamine energiaks: teave plastitüki asendi kohta muundub energiaks, mis surub selle ülespoole. See tähendab, et termodünaamika teine seadus jääb ju puutumata.
Kvantmaailma hullud asjad
Nüüd on Jaapani Kyoto ülikooli ja Tokyo ülikooli teadlased leidnud, et kvantmehaanika toob nendele katsetele kaasa täiendavaid komplikatsioone ja et jällegi näib, et termodünaamika teist seadust rikutakse.
Selleks lisavad nad Maxwelli harjutusele kvant-takerdumisena tuntud mõiste. Kui kaks osakest on omavahel kvantiteetselt põimunud, käituvad nad ühena, isegi kui neid eraldab terve universum. Seega on võimalik mõõta ainult ühte neist ja teise kohta teavet saada. Ja nagu me varem nägime, on teave selles kontekstis energia.
Seetõttu oleks ülaltoodud juhul võimalik energiat kasutada poolte molekulide mõõtmiseks ja nende kõigi kohta teabe saamiseks. Teisisõnu, mahuti oleks võimalik jagada kuumade ja külmade molekulide vahel, kasutades ainult pool klassikalises mudelis vajalikust energiast.
Praegu on see kõik lihtsalt teaduslikus töös (PDF) kreeka sümbolitega täidetud matemaatiline arvutus. Kuid autorite suureks saavutuseks oli tõdemus, et termodünaamika teine seadus sõltub ka kvantiefektidest ja nüüd töötab meeskond selle laiendamise viisi, et ka sellele ilmutusele tähelepanu pöörata.
Tehnoloogiaülevaate veebisaidi andmetel on sellel uurimistööl oluline mõju kõikvõimalikele nähtustele, alates mustadest aukudest ja astrobioloogiast kuni nanomakiinide ja kvantkeemiani.
Allikas: Technology Review
Soovitatav
