Splątanie kwantowe łamie drugie prawo termodynamiki

(Źródło obrazu: ThinkStock)

Drugie prawo termodynamiki z grubsza mówi, że nie można czegoś wyciągnąć z niczego. Ponieważ na przykład nie ma darmowej energii, nie jest możliwe stworzenie perpetuum mobile, chociaż próbowano już przynajmniej kilku ciekawych prób.

Innym aspektem tego samego prawa jest fakt, że energia zawsze próbuje się zrównoważyć. Jeśli masz garnek z gorącą wodą i polewasz go zimną wodą, otrzymasz ciepły płyn. Jeśli chcesz schłodzić lub ogrzać tę wodę, musisz mieć zewnętrzne źródło zasilania.

James Maxwell i jego ćwiczenia umysłowe

Wszystko było idealne, dopóki szkocki James Maxwell nie zaproponował ćwiczenia, które wprowadziłoby w błąd wielu ludzi w 1867 r .: Wyobraź sobie, że masz pojemnik z ciepłą wodą. Ta woda ma cząsteczki, które poruszają się z różnymi prędkościami, „gorętsze” poruszają się szybko, a „zimniejsze” poruszają się wolno. Niemniej jednak średnia temperatura wody jest ciepła.

Maxwell zasugerował następnie podzielenie tego pojemnika na dwie połowy, pozostawiając tylko małe drzwi wielkości cząsteczki wody otwarte między nimi. Skonstruuj drzwi, aby przyciągały do ​​nich szybkie cząsteczki i gromadziły się w jednej połowie pojemnika, a gdy wolna cząsteczka zbliża się do drzwi, przechodzi na drugą stronę.

W ten sposób po chwili drzwi te nakazałyby cząsteczkom szybkie i wolne, to znaczy, że ciepła woda zamieniłaby się w gorącą i zimną wodę bez użycia dodatkowego źródła energii. Druga zasada termodynamiki jest najwyraźniej naruszona.

Łamanie drugiego prawa w praktyce

Pomysł Maxwella jest interesujący, ale ćwiczenie mentalne. Jednak w 2010 r. Naukowcy wykazali, że możliwy jest ruch plastiku za pomocą przypadkowego ruchu cząsteczek powietrza, przy użyciu drzwi podobnych do proponowanych przez Maxwella w jego ćwiczeniu.

Kawałek plastiku umieszcza się na początku małej drabiny i nagle zaczyna być popychany do góry. Ilekroć to robi, elektryczne drzwi są zamykane tuż pod nim. Moc wykorzystywana w tym porcie jest izolowana od reszty systemu, aby upewnić się, że nie zakłóca eksperymentu. Z biegiem czasu tworzywo sztuczne dociera do szczytu schodów bez przyłożenia do niego energii zewnętrznej.

Przekształcanie informacji w energię

Po wielu badaniach tych przypadków fizycy doszli do wniosku, że eksperymenty te zależą od wielu bardzo dokładnych informacji o systemie, w którym są przeprowadzane. W ćwiczeniach umysłowych Maxwella musisz znać szybkość poruszania się cząsteczek, aw eksperymencie praktycznym z 2010 r. Zawsze musisz monitorować pozycję plastikowego elementu.

Wszystkie te pomiary zależą od energii, która z kolei próbuje zrównoważyć się z „darmową” energią znajdującą się poza układem. Innymi słowy, to, co się dzieje, to przekształcanie informacji w energię: informacja o pozycji kawałka plastiku zostaje ostatecznie przekształcona w energię, która popycha go w górę. Oznacza to, że drugie prawo termodynamiki pozostaje nietknięte.

Szalone rzeczy świata kwantowego

Teraz naukowcy z Uniwersytetu w Kioto i Uniwersytetu w Tokio, obaj w Japonii, odkryli, że mechanika kwantowa powoduje dodatkowe komplikacje w tych eksperymentach i że po raz kolejny wydaje się, że druga zasada termodynamiki została naruszona.

(Źródło obrazu: Odtwarzanie / arXiv)

W tym celu dodają do ćwiczenia Maxwella koncepcję zwaną splątaniem kwantowym. Kiedy dwie cząstki są kwantowo splecione, zachowują się jak jedna, mimo że są oddzielone od siebie całym wszechświatem. W ten sposób można zmierzyć tylko jeden z nich i uzyskać informacje o drugim. I, jak widzieliśmy wcześniej, informacje w tym kontekście to energia.

Dlatego w powyższym przypadku byłoby możliwe wykorzystanie energii do pomiaru połowy cząsteczek i uzyskania informacji o wszystkich z nich. Innymi słowy, możliwe byłoby podzielenie pojemnika między cząsteczkami „gorącymi” i „zimnymi” przy użyciu tylko połowy energii wymaganej w modelu klasycznym.

Na razie wszystko to jest tylko rachunkiem matematycznym wypełnionym greckimi symbolami w artykule naukowym (PDF). Wielkim osiągnięciem autorów było jednak stwierdzenie, że druga zasada termodynamiki zależy również od efektów kwantowych, a teraz zespół pracuje nad sposobem jej rozszerzenia, aby omówić to objawienie.

Według strony internetowej Technology Review, badania te będą miały ważne implikacje dla wszelkiego rodzaju zjawisk, od czarnych dziur i astrobiologii po nanomaszyny i chemię kwantową.

Źródło: przegląd technologii