Nauka dla Społeczeństwa

16.04.2024
PL EN
10.04.2023 aktualizacja 12.04.2023

Jak zaprząc mechanikę kwantową, by wydajnie zmieniać informacje w użyteczną energię?

Źródło: Adobe Stock Źródło: Adobe Stock

Badacze zastanawiają się, czy dzięki wiedzy z zakresu mechaniki kwantowej będzie się dało skuteczniej niż dotąd - lub w zupełnie nowy sposób - zamieniać informację na pracę mechaniczną. Polski fizyk prezentuje narzędzia matematyczne, które ten dział fizyki (termodynamikę kwantową) przybliżą do eksperymentu.

Publikacja dr. Kamila Korzekwy z UJ i dr. Matteo Lostaglio o tej tematyce otrzymała dwa wyróżnienia redakcji "Physical Review Letters" - jednego z najbardziej prestiżowych czasopism fizycznych na świecie.

Dr Korzekwa próbuje lepiej zrozumieć, jak na poziomie kwantowym działa druga zasada termodynamiki. Zasada ta, w jednym ze sformułowań mówi, że: "Nie jest możliwy proces, którego jedynym skutkiem byłoby pobranie pewnej ilości ciepła ze zbiornika i zamiana go w równoważną ilość pracy". Cechą naszego Wszechświata jest bowiem to, że entropia - którą można sobie wyobrazić jako miarę nieuporządkowania - zawsze rośnie w czasie. Nie można więc "porządkować" układu (a dokładniej zmniejszać jego entropii), nie zużywając przy tym energii (bo jednocześnie zwiększa to entropię w jakimś innym miejscu).

"Dla mnie pytania o drugą zasadę termodynamiki to pytania o fundamentalny aspekt Wszechświata. Z tym prawem wiąże się to, że wszystko się będzie psuło, wszyscy umrzemy, wszystko dąży - zgodnie ze strzałką czasu - ku zniszczeniu. Pytanie, dlaczego tak jest - również na poziomie praw fizyki kwantowej" - opowiada w rozmowie z Nauką w Polsce dr Korzekwa.

Badanie termodynamiki kwantowej ma też wymiar bardziej praktyczny. Aby budować coraz sprawniejsze maszyny i coraz bliżej dochodzić w urządzeniach do granic, jakie stawia przed nami fizyka, musimy dokładniej zrozumieć jej prawa.

Tymczasem wiele wskazuje na to, że jest to niemożliwe bez włączenia w modele teoretyczne rozważań dotyczących fizyki informacji, tj. fizycznych ograniczeń jej przetwarzania.

“Żyjemy w wieku informacji. A informacja nie jest czymś abstrakcyjnym. Ona zależy od praw fizyki. Również na poziomie mechaniki kwantowej. A efekty związane z pamięcią potrafią znacząco wpływać na procesy termodynamiczne” - mówi naukowiec.

I opowiada o Demonie Maxwella. Ten zaproponowany w eksperymencie myślowym twór byłby w stanie segregować cząstki w dwóch sąsiednich pojemnikach. Otwierając i zamykając w odpowiednim momencie przegrodę, byłby w stanie w jednej części gromadzić szybkie - gorące cząstki, a w drugiej - powolne, zimne. A dzięki tej sztuczce - "za darmo" budować silnik cieplny. Niezły biznes. Tylko co sprawia, że demona nie da się zbudować? Problemem jest właśnie informacja, jaką pozyskuje demon: musi on wiedzieć, czy cząstka, która się do niego zbliża z danej strony, jest szybka czy wolna, aby przegrodę poruszyć w dobrym momencie. Informacja, którą demon musi pozyskać a następnie usunąć, należy do ukrytych kosztów. A koszty te sprawiają, że praca demona nie jest taka darmowa, jakby się mogło wydawać.

Demon Maxwella istnieć zatem nie może. Warto by było jednak opracować inne korzystające z kwantowych sztuczek maszyny, które np. pozwoliłyby z jak najmniejszej porcji informacji pozyskać jak najwięcej pracy. Ale na razie do tego daleko, bo najpierw powinien powstać opis tego, jak druga zasada termodynamiki działa w świecie układów kwantowych.

"Termodynamika kwantowa to dziedzina, w której powstaje rocznie kilkaset prac. Naukowcy próbują w nich wyjaśnić termodynamikę na poziomie kwantowym, zrozumieć jej mechanizmy i stwierdzić, czy możliwe jest zaprojektowanie silników cieplnych i innych urządzeń o sprawności lub mocy większej, niż jest to możliwe klasycznie. Mam jednak wrażenie, że w pewnym momencie ta społeczność zaczęła walić głową w ścianę. Po 10 latach od powstania tego obszaru powinny pojawić się już znaczące eksperymenty. W końcu jesteśmy fizykami, a nie matematykami - opowiada dr Korzekwa. - Nasza praca idzie zaś o krok w stronę eksperymentu: dostarcza narzędzi pomocnych w modelowaniu doświadczeń z zakresu kwantowej termodynamiki. Udostępniamy bowiem formalizm matematyczny, który jest uszyty pod eksperyment. To jest tak, jakbyśmy dostarczyli zestaw farb, albo młotek i dłuto".

Formalizm ten pozwala opisać, w jaki sposób cząstki kwantowe, poprzez oddziaływanie z łaźnią cieplną o zadanej temperaturze, mogą przechodzić z jednego stanu nierównowagi termodynamicznej w inny. I tak można dzięki niemu przeanalizować, jakie są (przy pewnych uproszczeniach) wszystkie możliwe przyszłe stany pewnego układu wpuszczonego do otoczenia o zadanej temperaturze.

Makroskopowym odpowiednikiem tego doświadczenia byłoby np. umieszczenie kostki lodu w pokoju o temperaturze 20 stopni C. Fizycy chcieliby poznać wszystkie możliwe przyszłe stany tego układu (np. rozpuszczona woda o temperaturze 10 stopni C). A dzięki temu wyszukać tę przyszłość, w której układ wykona największą pracę.

"Chcę sprawdzić, jak wiele jesteśmy w stanie zrobić 'termodynamicznie za darmo', bez dodawania energii" - komentuje naukowiec.

Jego zdaniem eksperymenty, jakie można zaprojektować używając tego formalizmu mogłyby w dalszej perspektywie dotyczyć silników cieplnych, w których wykorzystuje się choćby pracę wykonywaną przez pojedyncze cząstki (tzw. koncepcja silnika Szilarda).

"Fascynujące jest, żeby zrozumieć, dlaczego czas płynie w jedną stronę. W końcu pamiętamy przeszłość, a nie przyszłość. Ludzie zaczęli to rozumieć w XIX wieku, kiedy opisano zjawisko entropii. Natomiast od kiedy pojawiła się mechanika kwantowa, wiemy, że fundamentalnie nie jest to wystarczające wyjaśnienie. Cząstki to nie kuleczki bilardowe, ale kwantowe fale prawdopodobieństwa. Czy więc będziemy w stanie lepiej zrozumieć kierunkowość upływu czasu, jeśli do tego, co już wiemy, dodamy formalizm mechaniki kwantowej?" - zastanawia się dr Korzekwa.

PAP - Nauka w Polsce, Ludwika Tomala

lt/ bar/

Przed dodaniem komentarza prosimy o zapoznanie z Regulaminem forum serwisu Nauka w Polsce.

Copyright © Fundacja PAP 2024