การพัวพันกันของควอนตัมอาจช่วยให้อะตอมเดี่ยวขับ เซ็กซี่บาคาร่า เคลื่อนเครื่องทำความร้อนได้เมื่อวิศวกรชาวฝรั่งเศส Sadi Carnot คำนวณประสิทธิภาพสูงสุดของเครื่องยนต์ความร้อนในปี 1824 เขาไม่รู้ว่าความร้อนคืออะไร ในสมัยนั้น นักฟิสิกส์คิดว่าความร้อนเป็นของเหลวที่เรียกว่าแคลอรี่ แต่คาร์โนต์ ซึ่งต่อมาได้รับการยกย่องว่าเป็นผู้บุกเบิกในการก่อตั้งกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ ไม่จำเป็นต้องรู้รายละเอียดเหล่านั้น เพราะเทอร์โมไดนามิกส์ไม่ไวต่อรายละเอียดด้วยกล้องจุลทรรศน์ ความร้อนจะไหลจากร้อนไปสู่เย็นโดยไม่คำนึงว่าประกอบด้วยของเหลวหรือการเคลื่อนที่รวมของโมเลกุลหลายล้านล้านโมเลกุล อุณหพลศาสตร์ กฎและสมการที่ควบคุมพลังงานและประโยชน์ของพลังงานในการทำงาน เกี่ยวข้องกับภาพรวมเท่านั้น
เป็นแนวทางที่ประสบความสำเร็จ ตามที่เทอร์โมไดนามิกส์ต้องการ
พลังงานจะถูกอนุรักษ์ไว้เสมอ (กฎข้อที่หนึ่ง) และเมื่อมันไหลจากความร้อนไปสู่ความเย็น พลังงานก็สามารถทำงานได้ โดยถูกจำกัดด้วยการสร้างความวุ่นวาย หรือเอนโทรปี (กฎข้อที่สอง) กฎหมายเหล่านี้กำหนดทุกอย่างตั้งแต่ไมล์ต่อแกลลอนของเครื่องยนต์รถยนต์ไปจนถึงอายุการใช้งานแบตเตอรี่ของสมาร์ทโฟน ช่วยให้นักฟิสิกส์เข้าใจหลุมดำได้ดีขึ้น และทำไมเวลาจึงเคลื่อนไปข้างหน้าแต่ไม่ถอยหลัง ( SN: 7/25/15, p. 15 )
ทว่าแนวทางในภาพรวม เมื่อพิจารณาถึงป่าไม้มากกว่าต้นไม้ ทำให้นักฟิสิกส์สงสัยว่าอุณหพลศาสตร์มีอยู่ในทุกระดับหรือไม่ มันจะทำงานได้หรือไม่ถ้าเครื่องยนต์ประกอบด้วยสามโมเลกุลมากกว่าปกติล้านล้านล้านล้าน? ในขอบเขตของกลศาสตร์ควอนตัมที่มีขนาดเล็กมาก บางทีรหัสทางเทอร์โมไดนามิกอาจไม่เข้มงวดนัก
Janet Anders นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีจากมหาวิทยาลัย Exeter ในอังกฤษกล่าวว่า “อุณหพลศาสตร์ได้รับการออกแบบมาสำหรับสิ่งที่ยิ่งใหญ่” “เราไม่ได้รวมเทอร์โมไดนามิกส์เข้ากับกลศาสตร์ควอนตัมเลย”
ในช่วงสองสามทศวรรษที่ผ่านมา นักฟิสิกส์ค่อยๆ สำรวจการไหลของความร้อนในระดับควอนตัม โดยรู้สึกทึ่งกับความเป็นไปได้ที่จะพบการละเมิดกฎข้อที่สองของเทอร์โมไดนามิกส์ จนถึงตอนนี้ กฎข้อที่สองยังคงแข็งแกร่ง แต่เทคนิคการทดลองที่แม่นยำแบบใหม่ช่วยให้นักฟิสิกส์สามารถสำรวจฐานรากควอนตัมของอุณหพลศาสตร์ได้อย่างเต็มที่มากขึ้น การทดสอบขีดจำกัดที่กำหนดโดยนักทฤษฎี นักวิจัยกำลังสร้างเครื่องยนต์ขนาดเล็ก ซึ่งบางเครื่องขับเคลื่อนโดยอะตอมเดี่ยว และวัดอุบายที่อ่อนแอของอุปกรณ์
แม้ว่านักฟิสิกส์จะไม่สามารถแหกกฎทางเทอร์โมไดนามิกส์ได้ แต่หลักฐานล่าสุดชี้ให้เห็นถึงวิธีที่จะทำให้โค้งงอได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งโดยการใช้ประโยชน์จากวิธีที่ควอนตัมพัวพันสานชะตากรรมของอนุภาคเพียงไม่กี่ตัว เทคนิคที่ใช้ในการประมวลผลข้อมูลควอนตัมสามารถพิสูจน์ได้ว่ามีประโยชน์สำหรับการบีบพลังงานพิเศษออกจากเครื่องยนต์ขนาดเล็กเป็นต้น บทเรียนเหล่านี้สามารถช่วยนักวิทยาศาสตร์สร้างนาโนแมชชีนที่เก็บความร้อนและนำไปใช้ส่งยาภายในร่างกาย หรือช่วยลดการสูญเสียพลังงานในส่วนประกอบเล็กๆ ของคอมพิวเตอร์แบบเดิมๆ
เครื่องยนต์ควอนตัม
การใช้งานจริงในอนาคตของงานนี้จะขึ้นอยู่กับความเข้าใจว่าหลักการทางอุณหพลศาสตร์พื้นฐานทำงานอย่างไรในเครื่องชั่งขนาดเล็กพิเศษ
Jonathan Oppenheim นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีควอนตัมจาก University College London กล่าว มันย้อนกลับไปที่สถิติ หากเหรียญหลายล้านล้านล้านล้านล้านล้านในเครื่องยนต์ไอน้ำแสดงแทนด้วยเหรียญจำนวนมาก ผลของการพลิกเหรียญทั้งหมดจะเป็นส่วนผสมของหัวและหางที่เป็นเนื้อเดียวกัน ซึ่งเทียบเท่ากับอุณหภูมิคงที่และเอนโทรปีสูงสุด นั่นเป็นเหตุผลที่เครื่องยนต์ไอน้ำปฏิบัติตามกฎเสมอ แต่พลิกเหรียญขนาดเล็กสามเหรียญภายในเครื่องยนต์ควอนตัมขนาดเล็ก และทั้งสามสามารถตกลงบนหัวได้อย่างง่ายดาย ราวกับว่าโมเลกุลที่รวดเร็วทั้งหมดอยู่ในช่องหนึ่งแทนที่จะผสมกับอีกช่องหนึ่ง ซึ่งเป็นการละเมิดกฎข้อที่สอง
การทดลองในช่วงหลายปีที่ผ่านมาได้เสนอแนะว่าหากกฎข้อที่สองของเทอร์โมไดนามิกส์แตกออกเป็นขนาดเล็ก การละเมิดก็ไม่รุนแรงมาก ปีที่แล้ว Oppenheim และเพื่อนร่วมงานได้เจาะจงมากขึ้น โดยได้ตีพิมพ์บทวิเคราะห์โดยละเอียดในProceedings of the National Academy of Sciences ผลลัพธ์ของพวกเขาบ่งชี้ว่าไม่เพียงแต่กฎข้อที่สองจริงถือในระดับควอนตัมเท่านั้น แต่ยังเรียกร้องมากกว่าด้วย
แทนที่จะวิเคราะห์เอนโทรปีโดยตรง ทีมงานของ Oppenheim มองว่าระบบมีพลังงานให้ทำงานมากน้อยเพียงใด ซึ่งเป็นปริมาณที่เรียกว่าพลังงานอิสระ ในโลกมหภาคของเรา ปริมาณพลังงานอิสระขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและเอนโทรปีของระบบเท่านั้น แต่ด้วยการซูมเข้าไปในคอลเล็กชันอนุภาคที่เล็กลงและเล็กลง นักวิจัยพบว่าพวกเขาต้องคำนึงถึงพลังงานอิสระอีกหลายสายพันธุ์ แต่ละคนลดลงเมื่อเวลาผ่านไป กล่าวอีกนัยหนึ่ง กฎข้อที่สองกำหนดให้ต้องปฏิบัติตามกฎในระดับควอนตัมมากยิ่งขึ้น
การทดลองล่าสุดทำให้ชัดเจนว่าความพยายามที่จะหลีกเลี่ยงกฎข้อที่สองในทุกระดับจะถึงวาระ ใน จดหมายทบทวนทางกายภาพวันที่ 31 ธันวาคมJonne Koski นักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัย Aalto ในฟินแลนด์และเพื่อนร่วมงานได้สร้างห้องทดลองที่เทียบเท่ากับ “ปีศาจ” ที่ควบคุมความร้อนซึ่งสร้างโดย James Clerk Maxwell นักฟิสิกส์ชาวสก็อตในปี 1867 เซ็กซี่บาคาร่า / ร้านอาหาร
