Motors, kas ietilpst vienā atomā, ir apšaubījis vienu no visdrošākajiem fizikas principiem. Jauns pētījums liecina, ka noteiktas kvantu termiskās mašīnas var pārvarēt slaveno Karnota efektivitātes robežu, kas divus gadsimtus tika uzskatīta par nepārvaramu barjeru. Tas nav likuma pārkāpums, bet gan nepieciešams paplašinājums: kad spēlē iesaistās kvantu pasaules likumi, klasiskās termodinamikas normas vairs nav pietiekamas. Šis atklājums, ko izstrādājuši fiziķis Ēriks Lutzs un pētnieks Milton Aguilaris Štutgartes Universitātē, ierosina radikālas izmaiņas izpratnē par to, kā enerģija darbojas mikroskopiskā mērogā. Savā rakstā, kas publicēts žurnālā Science Advances, autori izved jaunas formulas, kas ļauj siltuma mašīnām iegūt enerģiju ne tikai no siltuma, bet arī no kvantu korelācijām, kas rodas starp daļiņām. Šīs korelācijas, kas makroskopiskajā pasaulē ir neiespējamas, ļauj sasniegt augstāku efektivitāti, nekā paredz tradicionālā fizika.
Karnota likums vairs nav neaizskaramais
1824. gadā franču fiziķis Sadi Carnot formulēja likumu, kas iezīmēja pagrieziena punktu zinātnē: neviens siltuma dzinējs nevar būt efektīvāks par ideālu dzinēju, kas darbojas starp divām dotām temperatūrām. Šis apgalvojums kļuva par termodinamikas otrā likuma stūrakmeni. Kopš tā laika visu mašīnu efektivitāte ir bijusi ierobežota ar šo formulu.
Taču Carnot pieņemtie nosacījumi vairs neattiecas uz pašreizējām kvantu sistēmām. Šādās vidēs, kur mašīnas var sastāvēt no dažām daļiņām vai pat no viena atoma, parādās efekti, kurus klasiskā teorija neparedz. Starp tiem izceļas kvantu korelācijas: neredzamas saiknes, kas ļauj sistēmas daļām būt savstarpēji saistītām pat attālumā un kas izšķiroši ietekmē enerģijas pārnesi.
Saskaņā ar Aguilar un Lutz, šo jauno mašīnu efektivitāti neierobežo tikai temperatūras starpība starp siltuma avotiem. Viņu matemātiskais modelis pierāda, ka, ja starp sistēmu un siltuma avotiem pastāv iepriekšējas korelācijas, var iegūt entropiskos resursus, kas palielina darba ražošanu. Tas nozīmē, ka efektivitāte var pārsniegt Karnota robežu, neizjaucot fizikas likumus, vienkārši tāpēc, ka apstākļi ir mainījušies.
Kvantu korelācijas: jauna veida degviela
Klasiskā motorā darbs tiek radīts, siltumam plūstot no siltā avota uz aukstu. Taču ierosinātajā modelī daļa darba rodas arī no korelācijām, kas pastāv starp sistēmu un tās termiskajām vidēm. Šīs korelācijas, kas ietver gan klasiskās saites, gan kvantu saites, darbojas kā papildu lietderīgas enerģijas avots.
Kā teikts oriģinālajā rakstā, “šīs mašīnas var radīt darbu no entropiskiem resursiem, piemēram, sistēmas un vides korelācijām”. Šī ideja rada to, ko autori sauc par atermisko darbības režīmu, kurā siltums vairs nav vienīgais enerģijas avots un pievienojas jauns veids: darba iegūšana no sistēmā esošās kvantu kārtības.
Pārsteidzošākais ir tas, ka šāda veida resursi var rasties dabīgi, atdzesējot sistēmas. Noteiktos temperatūras diapazonos, pat bez spēcīgas mijiedarbības, sistēma var būt korelēta ar savu vidi vienkārši tāpēc, ka tā ir izgājusi termizācijas procesu. Šī īpašība padara kvantu korelācijas par sava veida slēpto degvielu, kas ir sastopama tikai mikroskopiskā mērogā.
Jauna efektivitāte, kas pārsniedz klasisko robežu
Autori izstrādā jaunu vispārēju formulu, lai aprēķinātu kvantu motoru efektivitāti ar korelācijām, kas ņem vērā ne tikai absorbēto siltumu, bet arī iekšējās enerģijas izmaiņas un sistēmas sākotnējo korelācijas stāvokli. Šajā kontekstā efektivitāte vairs nav ierobežota ar klasisko ηC=1−Tc/Th un tagad ietver papildu terminu, kas saistīts ar neklasisko entropiju.
Rakstā paskaidrots, ka „efektivitāte var pārsniegt Carnot robežu, ja cikla sākumā ir entropijas resursi”. Tas nozīmē, ka, ja sistēma sāk darboties ar noteiktām korelācijām, kas vēlāk samazinās, var iegūt papildu darbu, kas nav saistīts ar siltumu, bet gan ar pašu iekšējo kārtību. Tas nav pretrunā ar termodinamikas otro likumu, bet gan to paplašina uz scenārijiem, kuros tā sākotnējās hipotēzes netiek izpildītas.
Šis rezultāts ir īpaši svarīgs nanometru mēroga dzinēju projektēšanā, kur termiskās svārstības, kvantu efekti un korelācijas ir neiespējami ignorēt. Klasiskie dzinēji ir paredzēti lielām, nesaistītām sistēmām, bet, samazinot izmēru, kvantu pasaule prasa jaunus noteikumus.
Divu oscilatoru dzinējs: koncepcijas pārbaude
Lai ilustrētu savu priekšlikumu, autori analizē kvantu dzinēja darbību, kas sastāv no diviem harmoniskiem oscilatoriem, katrs no kuriem ir savienots ar termisko vannu ar atšķirīgu temperatūru. Sistēma tiek aktivizēta, periodiski ieslēdzot un izslēdzot mijiedarbību starp oscilatoriem, kas ļauj iegūt darbu.
Noteiktos apstākļos motors darbojas atermiskā režīmā, kurā saražotais darbs ir lielāks par absorbēto siltumu. Šajā gadījumā novērotā efektivitāte pārsniedz Carnot efektivitāti, un papildu darba avots ir korelācijas, kas rodas termizācijas procesā.
Pētījums arī parāda, ka 87 % no izpētītajiem parametriem noved pie šī atermiskā režīma, kas liecina, ka tas nav margināls fenomens, bet gan daudzu iespējamo kvantu motoru vispārēja īpašība. Šādos scenārijos efektivitāti var saprast, tikai izmantojot autoru formulētos jaunus likumus.
Interesantākais ir tas, ka šis režīms neduras bezgalīgi: kad rodas jaunas korelācijas un citas izkliedējas, nelīdzsvarotā entropija tendence palielināties, un dzinējs atkal sāk darboties klasiskajā režīmā. Tomēr pastāv stratēģijas, piemēram, īsākie ceļi uz adiabātiskumu, kas varētu pagarināt atermiskā režīma ilgumu un palielināt dzinēja kopējo efektivitāti.
Pāri siltumam: jauns tehnoloģiskais horizons
Atklājums, ka kvantu korelācijas var darbināt motorus, ne tikai apstrīd mūsu priekšstatus par efektivitāti, bet arī paver durvis jaunām tehnoloģiskām lietojumprogrammām. Ultraefektīvi kvantu dzinēji varētu būt atslēga nākotnes paaudzes nanorobotu, precīzijas sensoru un kvantu skaitļošanas ierīču izstrādei.
Darbojoties uz enerģijas, informācijas un korelāciju robežas, šie dzinēji piedāvā jaunu veidu, kā izmantot resursus, kas iepriekš tika uzskatīti par nenozīmīgiem.
Ja izdosies kontrolēt un atkārtoti izmantot šīs korelācijas, mēs varētu saskarties ar jaunu enerģijas pārveides paradigmu, kas pielāgota visuma mazākajiem un sarežģītākajiem mērogiem.
Autori secina, ka “šie entropijas resursi var dabīgi parādīties mikroskopiskos dzinējos” un to klātbūtne būtu jāņem vērā, projektējot un optimizējot nākotnes kvantu mēroga mašīnas.
