Întâlnirea dintre teoria cuantică și termodinamică a stârnit întotdeauna interesul și nedumerirea cercetătorilor. A doua lege a termodinamicii, care afirmă că entropia unui sistem izolat nu scade niciodată, a fost mult timp considerată a fi inviolabilă. Un nou studiu realizat de cercetători de la Universitatea Nagoya (Japonia) și de la Academia Slovacă de Științe oferă o revelație neașteptată. Demonstrând că teoria cuantică ar putea sfida această lege, în anumite circumstanțe, fără a încălca principiile ei fundamentale, acești cercetători deschid calea către noi perspective în înțelegerea sistemelor cuantice și a tehnologiilor care rezultă din acestea, precum calculul cuantic.
A doua lege a termodinamicii este un principiu fundamental în fizica clasică. Acesta afirmă că entropia, o măsură a dezordinii sau a energiei inutilizabile într-un sistem, poate crește în timp doar într-un sistem izolat. Cu alte cuvinte, sistemele tind să evolueze spre o stare de dezordine mai mare și este imposibil să se revină spontan la o stare mai ordonată. Această lege este esențială pentru înțelegerea fenomenelor precum funcționarea motoarelor termice și a altor procese ireversibile. Un paradox formulat de fizicianul James Clerk Maxwell în 1867 pune această lege în discuție. Maxwell își imaginează un „demon” ipotetic capabil să sorteze moleculele unui gaz prin separarea moleculelor rapide de cele lente, fără a consuma energie. Făcând această sortare, demonul ar putea crea o diferență de temperatură între cele două grupuri de molecule. Conform logicii clasice, acest proces ar permite căldurii să curgă dintr-un loc mai cald într-un loc mai rece, care ar putea fi, teoretic, folosit pentru a produce lucru mecanic. Acest lucru pare să contrazică cea de-a doua lege a termodinamicii, care afirmă că este imposibil să se realizeze un astfel de transfer de căldură fără a exista un alt rezervor mai rece care să interacționeze cu sau fără consumul de energie.
Studiul publicat recent în npj Quantum Information de către cercetătorii japonezi și slovaci a încercat să exploreze această întrebare dintr-un unghi nou, folosind instrumentele teoriei cuantice pentru a înțelege modul în care aceste principii pot interacționa. Munca lor se bazează pe o modelare matematică a unui „motor demonic”, inspirată de paradoxul lui Maxwell, dar de data aceasta la scară cuantică. În modelul lor, demonul lui Maxwell interacționează cu un sistem cuantic în trei pași: măsoară un sistem țintă, extrage munca din acesta cuplându-l la un mediu termic și apoi șterge memoria acestuia. Dacă este făcut bine, acest proces poate duce teoretic într-o situație în care munca extrasă din sistem depășește munca cheltuită, încălcând astfel aparent legea a doua a termodinamicii.
Cercetătorii au subliniat că, deși rezultatele lor arată că, în anumite condiții specifice, legea ar putea părea a fi încălcată, aceasta nu înseamnă că a doua lege a termodinamicii este încălcată în mod fundamental. Într-adevăr, ei susțin că procesele cuantice pot fi efectuate într-o manieră care este pe deplin în concordanță cu această lege prin reorganizarea adecvată a sistemelor și reechilibrarea entropiei. Adevărata descoperire a acestui studiu constă în faptul că demonstrează că teoria cuantică nu este intrinsec incompatibilă cu cea de-a doua lege a termodinamicii. „Rezultatele noastre au arătat că în circumstanțe specifice permise de teoria cuantică, este posibil să se extragă mai multă muncă decât a fost cheltuită, dar această situație nu încalcă legea în sine”, explică Shintaro Minagawa, unul dintre cercetătorii principali ai studiului. Acest lucru sugerează că există un teren comun între mecanica cuantică și termodinamică, câmpuri adesea văzute ca opuse.
Concluziile acestei cercetări nu se limitează la considerații teoretice. Ele au repercusiuni concrete pentru tehnologiile cuantice de mâine. Compatibilitatea dintre procesele cuantice și termodinamică deschide noi posibilități pentru aplicații practice, cum ar fi calculul cuantic, motoarele la scară nanometrică și gestionarea căldurii în circuitele cuantice. Controlul entropiei și disipării energiei reprezintă o provocare majoră în dezvoltarea acestor tehnologii. Cercetările arată că tehnologii precum calculul cuantic, care se bazează pe procese energetice la scară mică, ar putea fi concepute pentru a respecta principiile termodinamice, profitând în același timp de efectele cuantice.
Studiul a ajutat la reconcilierea a două domenii ale fizicii care păreau fundamental independente. În timp ce mecanica cuantică oferă o vedere asupra lumii particulelor și sistemelor la scară microscopică, termodinamica guvernează evoluția sistemelor la scară largă. Această cercetare arată că este posibil să se manipuleze aceste două lumi fără conflict. Prin stabilirea unei baze solide pentru cercetări și aplicații viitoare, această descoperire ar putea deschide porți către tehnologii de ultimă oră, în special în managementul energiei și calculul cuantic.
Pe măsură ce granița dintre fizica cuantică și termodinamică se estompează, se deschid noi perspective, oferind un cadru mai nuanțat pentru explorarea misterelor Universului și dezvoltarea tehnologiilor care exploatează principiile fundamentale ale naturii în moduri inovatoare și armonioase.
Loading ...
