Физики заставили термодинамику работать в квантовом мире

Ученые из Базеля применили законы термодинамики к удивительным условиям квантовой физики, где четкое деление между полезной энергией и случайным движением теряет ясность.

Когда лазерный свет проходит через полость, заполненную атомами, часть его может совершать полезную работу (например, заряжать квантовую батарею, сверху), а другая часть превращается в «тепло» (снизу).

Источник: Enrique Sahagún, Scixel / University of Basel, Department of Physics

В конце XVIII века изобретатель Бенджамин Томпсон (граф Румфорд) провел простой, но важный опыт. Наблюдая за процессом сверления пушечных стволов в мюнхенской мастерской, он заметил, что металл постоянно нагревается из-за трения. Так он заключил, что тепло не является веществом, а скорее результатом механической работы. Чтобы подтвердить свою гипотезу, Румфорд провел серию экспериментов, результаты которых легли в основу термодинамики, сыгравшей важную роль в развитии промышленности первой половины XIX века, пишет ScienceDaily.

Законы термодинамики формулируются следующим образом: в закрытой системе сумма тепловой и механической энергий сохраняется постоянной, а мера беспорядка (энтропия) со временем увеличивается. Однако, несмотря на справедливость законов в макромире, применение их к миру малых размеров, управляемых законами квантовой физики, сталкивается с трудностями. Представление о четком различии между энергией, используемой для совершения работы, и беспорядочным тепловым движением теряет смысл в мире элементарных частиц.

Физики нашли способ заставить термодинамику работать в квантовом мире.

Источник: Freepik

Группа ученых из Базеля под руководством профессора Патрика Поттса предложила новый взгляд на взаимодействие теплоты и работы в микромасштабах. Используя уникальные методы анализа поведения света внутри лазерных резонаторов, специалисты пришли к выводу, что традиционное разделение понятий «тепла» и «работы» требует переопределения в квантовом мире. Их ключевой вывод заключается в следующем: работа, которую традиционно понимают как целенаправленное воздействие на систему, тесно связана с состоянием когерентности света, попадающего внутрь лазерного резонатора. Чем больше такая когерентность сохраняется, тем эффективнее система способна производить полезную работу. Напротив, потеря когерентности приводит к выделению тепла.

Таким образом, ученые предлагают рассматривать когерентность света как новую характеристику работы в квантовых процессах. Их выводы подтверждают, что сформулированные ранее законы термодинамики сохраняются и в квантовом масштабе, хотя их интерпретация должна учитывать специфику микроявлений.

Ранее специалисты обнаружили «невозможный» бета-распад фтора-25. Подробнее об этом рассказали в другом материале Hi-Tech Mail.