Przedstawiciele Uniwersytetu w Nagoi wykorzystali model, na podstawie którego doszli do zadziwiającego wniosku. Z jednej strony procesy kwantowe mogą przestrzegać drugiej zasady termodynamiki, lecz z drugiej okazują się z niej wyłamywać. Co to może oznaczać w praktyce? Zgromadzone informacje zostały niedawno przedstawione w artykule zamieszczonym w npj Quantum Information.
Czytaj też: Fizycy zarejestrowali nowy rodzaj cząstek kwantowych. To pierwsza taka obserwacja w historii
Najważniejszym wnioskiem wyciągniętym przez autorów przytoczonej publikacji było to, że teoria kwantowa może naruszać drugą zasadę termodynamiki. Nie oznacza to jednak, iż jest to regułą. Mówiąc krótko: układy kwantowe mogą zostać zaprojektowane tak, aby zachowywały się zgodnie z tą regułą. Po raz kolejny pokazuje to, jak nieregularny i zaskakujący może być świat kwantowy.
W myśl drugiej zasady termodynamiki możemy stwierdzić, że dochodzi do wzrostu entropii w procesach nieodwracalnych. Sama entropia to natomiast nieporządek, który zwiększa się z upływem czasu, jeśli dotyczy układu zamkniętego. W praktyce oznacza to na przykład sytuację, w której silnik z funkcją cykliczną nie może generować pracy wykorzystując ciepło z jednego źródła. Jego część musi być utracona.
Zwrot w akcji dotyczący tego założenia nastąpił za sprawą wspomnianego Maxwella, którego demon – hipotetyczna istota – miałby być zdolny do podążania za każdą cząsteczką z osobna. Wyobraźmy sobie pojemnik, w którym znajdują się cząsteczki poruszające się z różnymi prędkościami. Taki pojemnik jest podzielony przegrodą na dwie części A i B, przy czym demon jest w stanie dostrzec te molekuły i otwierać bądź zamykać otwór w przegrodzie.
Demon Maxwella to hipotetyczna istota z eksperymentu myślowego zaprezentowanego w 1867 roku
W takich okolicznościach szybsze (cieplejsze) cząsteczki mają trafiać z komory z A do B, natomiast wolniejsze (chłodniejsze) – z B do A. Dzięki temu bez wydatkowania pracy powinna wzrosnąć temperatura komory B i zmniejszyć – temperatura komory A. Gdyby faktycznie się tak stało, to byłoby to niezgodne z drugim prawem termodynamiki. Innymi słowy: w takich okolicznościach bylibyśmy w stanie wydobyć pracę z układu bez zwiększania entropii.
Czytaj też: Gdzie jest granica między fizyką klasyczną i kwantową? Wyjątkowy przyrząd obserwuje oba światy
Japońscy naukowcy postanowili odpowiedzieć na palące pytanie: czy świat kwantowy przestrzega drugiego prawa czy też je nagina? Już wcześniej pojawiały się głosy, iż scenariusz numer dwa jest możliwy w świecie kwantowym. Z drugiej strony, każdy pozorny spadek entropii w jednej części układu kwantowego będzie równoważony wzrostem w innej, co wskazywałoby na aktualność drugiego prawa termodynamiki.
Chcąc rozwikłać zagadkę autorzy nowych badań zaprojektowali model, w którym na pierwszym etapie demon mierzy układ kwantowy. Później taka istota wchodzi w interakcję ze środowiskiem termicznym i wydobywa pracę z układu, by ostatecznie pamięć demona została wymazana. Przy udziale tzw. entropii von Neumanna członkowie zespołu badawczego chcieli obliczyć pracę wykonaną i wydobytą przez demona. Okazało się, że możliwe są dwa scenariusze: w jednym druga zasada termodynamiki wydaje się naruszona, natomiast w drugim pozostaje w użyciu. A skoro istnieją obie możliwości, to prawdopodobnie da się projektować układy kwantowe, które będą zdolne do spełniania obu warunków.
