Splątane cząstki łamią klasyczne prawo termodynamiki, mówią fizycy

W 1867 roku szkocki fizyk James Clerk Maxwell opublikował eksperyment myślowy pokazujący, jak wydobyć ciepło z pojemnika z gazem.

Maxwell wymyślił pojemnik przedzielony na pół ścianą z zapadnią, którą można otwierać i zamykać, aby przepuszczać cząsteczki gazu.

Eksperyment zaczyna się z całym gazem w jednej połowie pojemnika. Gaz zawiera cząsteczki poruszające się z szerokim zakresem prędkości. Za każdym razem, gdy szybka cząsteczka zbliża się do drzwi pułapki, Maxwell wyobrażał sobie „demona”, który otwiera je, aby przepuścić cząsteczkę.

Ostatecznie wszystkie szybkie cząsteczki kończą w jednej połowie pojemnika, podczas gdy wolne pozostają w drugiej połowie. W efekcie demon podgrzał jedną połowę pojemnika i ochłodził drugą.

Kilka lat temu przyjrzeliśmy się eksperymentalnej wersji demona Maxwella, w której japońscy fizycy stworzyli rodzaj schodów, w których obniżyli barierę energetyczną, aby umożliwić atomom podskoczenie o stopień, a następnie podnieśli ją, aby zapobiec cofaniu się atomu ponownie w dół.

W rezultacie atom powoli wspinał się po schodach, mimo że do układu nie dodano żadnej energii.

Demon Maxwella i jego eksperymentalne odpowiedniki wyglądają jak wyraźne pogwałcenie drugiej zasady termodynamiki, która mówi, że ciepła nie można przenosić z ciała zimnego do gorącego bez wykonywania pracy i że maszyny perpetuum mobile tego typu są niemożliwe.

Ale w rzeczywistości nie dzieje się tu nic nadprzyrodzonego. Współcześni fizycy zdali sobie sprawę, że pełny opis termodynamiki musi zawierać ocenę porządku i nieuporządkowania w systemie, czyli innymi słowy zawartych w nim informacji.

Japońscy fizycy muszą przez cały czas monitorować położenie atomu, aby wiedzieć, kiedy należy podnieść i obniżyć bariery. Kiedy uwzględni się ten system monitorowania i generowane przez niego informacje, wszystko jest tak, jak powinno.

Jednak to, co było niezwykłe w japońskim eksperymencie, to przekształcenie informacji w energię.

Od tego czasu fizycy zaczęli pytać, czy w drugim prawie mogą być jakieś inne interesujące zawiłości, zwłaszcza gdy uwzględnia się kwantową naturę cząstek.

Jaką rolę może odgrywać mechanika kwantowa? Jedna możliwość wiąże się z dziwnym zjawiskiem splątania, w którym dwie cząstki łączą się ze sobą tak głęboko, że dzielą to samo istnienie, nawet jeśli dzieli je szerokość wszechświata. Kiedy dwie cząstki są splątane, pomiar jednej daje informacje o obu cząstkach.

Nietrudno zobaczyć, jak można to wykorzystać w eksperymencie typu demona Maxwella, a dziś dokładnie to robi Ken Funo z Uniwersytetu Tokijskiego w Japonii i kilku kumpli. Oto jak.

Wyobraź sobie dwa pudła z cząstkami z drzwiami pułapkowymi między nimi. Chcesz użyć drzwi pułapki, aby skierować szybsze cząsteczki do jednego pudełka, a wolniejsze cząsteczki do drugiego. W klasycznym eksperymencie musiałbyś zmierzyć cząstki w obu pudełkach, aby przeprowadzić ten eksperyment.

Ale sprawy mają się inaczej, jeśli cząstki w jednym pudełku są splątane z cząstkami w drugim. W takim przypadku pomiary cząstek w jednym pudełku dają informacje o obu zestawach cząstek.

W gruncie rzeczy otrzymujesz informacje za darmo. A ponieważ możesz przekształcić te informacje w energię, istnieje wyraźna korzyść, gdy uwikłanie odgrywa rolę.

To niezwykle ważne. Oznacza to, że prawa termodynamiki zależą nie tylko od klasycznych zjawisk i informacji, ale także od efektów kwantowych. Przełomem, jakiego dokonują Funo i spółka, jest rozszerzenie teorii, aby wziąć to pod uwagę. Pokazujemy, że stany splątane można wykorzystać do wyodrębnienia pracy termodynamicznej poza klasyczną korelacją, mówią.

Będzie to miało ważne implikacje dla wszelkiego rodzaju zjawisk, od czarnych dziur i astrobiologii po chemię kwantową i nanomaszyny.

Teraz rozpocznie się wyścig, aby zobaczyć, kto pierwszy może to zmierzyć.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1207.6872 : Zysk pracy termodynamicznej ze splątania

ukryć