هل تنطبق قوانين الديناميكا الحرارية على الآلات الكمومية؟ على سبيل المثال، هل تخضع المحركات البخارية، التي صيغت الديناميكا الحرارية لها منذ البداية، لنفس القواعد التي تعمل بموجبها الآلة المبنية من ذرات فردية؟
هل تنطبق قوانين الديناميكا الحرارية على الآلات الكمومية؟ على سبيل المثال، هل تخضع المحركات البخارية، التي صيغت الديناميكا الحرارية لها منذ البداية، لنفس القواعد التي تعمل بموجبها الآلة المبنية من ذرات فردية؟ حتى وقت قريب، كانت الإجابة على هذا السؤال إيجابية، على الرغم من استحالة إثبات ذلك. ومع ذلك، فإن دراسة جديدة أجراها البروفيسور غيرشون كوريتسكي، من كلية الكيمياء في معهد وايزمان للعلوم، بالتعاون مع علماء من جمهورية التشيك وبولندا، تثير احتمال أن تخضع الآلات الكمومية لقيود أخرى غير تلك الموجودة في الديناميكا الحرارية التقليدية. . أي أن قوانين الديناميكا الحرارية نفسها تظل سارية في العالم الكمي، لكن الأمر نفسه لا ينطبق على بعض نتائجها. تكشف هذه النتائج عن جوانب كمومية فريدة في تشغيل الآلات التي تحول الحرارة إلى شغل، أو الشغل إلى تبريد. تم وصف هذه النظرية مؤخرًا في المجلات العلمية Physical Review Letters وphysic Review.
كانت نقطة البداية في الدراسة الحالية تأثيرًا مفاجئًا تم اكتشافه في دراسة سابقة في مجموعة أبحاث البروفيسور كوريتسكي: قياسات النظام الكمي، مثل الذرة الواحدة، تجعل من الممكن تسخينها أو تبريدها وفقًا للمعدل. من القياسات. وشرط هذا التأثير الغريب هو أن يكون الفاصل الزمني بين القياسات أقصر من "زمن الذاكرة" للبيئة (الموصوف بـ "الحمام الحراري") الذي تنغمس فيه الذرة، وهو الزمن الذي يتبادل فيه الحمام الطاقة مع الذرة - يستقبل ويعيد الطاقة بطريقة تذبذبية.
تم نشر هذا الاكتشاف عام 2008 في مجلة Nature (انظر أيضاً "المعهد" العدد 51)، وتم التحقق منه في تجربة أجريت في المجموعة البحثية للبروفيسور لوسيو فريدمان من كلية الكيمياء في المعهد، ونشرت في عام 2010 في مجلة Physical Review Letters (انظر "المعهد" 61). يرجع التغير في درجة حرارة الذرة إلى حقيقة أن القياسات المتكررة تغير طاقة الرابطة بين الذرة والحمام الحراري، إذا حدثت خلال زمن ذاكرة الحمام. وهذه ظاهرة كمومية متميزة، على الرغم من أن الذرة الموجودة داخل الحمام الحراري كانت تعتبر (قبل هذه الدراسة) جسمًا يتصرف وفقًا للديناميكا الحرارية التقليدية، بينما وجد هنا أن الحمام، حتى لو كان مجهريًا، يتصرف على الذرة بطريقة متماسكة الكم خلال زمن ذاكرتها.
يُظهر البحث الحالي، الذي أجراه طالب البحث ديفيد جالبواسر كليموفسكي تحت إشراف البروفيسور كوريتسكي، أن التأثير الكمي نفسه يسمح للذرة بأن يكون لها تأثير كبير على القياسات: إذا قمنا بربط مذبذب بالذرة، فسوف يحدث ذلك. زيادة تذبذبها، بشرط أن تكون القياسات أكثر تواترا من زمن الذاكرة للحمام. مثل التغير في درجة الحرارة، أصبح أداء العمل من خلال القياسات المتكررة ممكنًا بفضل مورد لم يتم استخدامه حتى الآن: التغير في الطاقة - العلاقة بين الذرة والبيئة. تجاهلت النظريات السابقة في هذه المجالات (مثل نظرية الفيزيائي رولف لانداور من عام 1960) هذا المصدر.
وفيما بعد بين العلماء أن ربط الذرة بحمامين حراريين، أحدهما ساخن والآخر بارد، يجعل من الممكن إنشاء آلة تقوم بتحويل جزء من الطاقة الحرارية إلى الفعل الذي تقوم به الذرة على مذبذب (زيادة تذبذبها). ). ولكن إذا كان تردد المذبذب مرتفعًا جدًا، فستعمل الآلة بمثابة ثلاجة تقلل من درجة حرارة الحمام البارد.
ووفقا للنظرية الجديدة، فإن أصغر وأبسط آلة ممكنة هي ذرة واحدة متصلة بحمامات حرارية ومتصلة بمذبذب بسيط يستخدم في مكبس كمي. ويأمل العلماء أن تساعد هذه النتائج في سد الفجوة بين الديناميكا الحرارية ونظرية الكم، وأن تؤدي إلى التطوير المستقبلي للآلات المصغرة المتقدمة، وستسمح بالتبريد الفعال لأجهزة الكمبيوتر الصغيرة (تعد قيود التبريد لهذه الأجهزة حاليًا أحد العوامل). مما يجعل من الصعب تصغير أجهزة الكمبيوتر).
يقول البروفيسور كوريتسكي: «إن النظرية الجديدة تضع علامة استفهام، من بين أمور أخرى، فيما يتعلق بتصريح نيرنست منذ عام 1908، وهو أنه من غير الممكن الوصول إلى الصفر المطلق في وقت محدد. وبرأيي، قد يكون من الممكن الوصول إلى هذه النقطة النهائية، إذا كان النظام المبرد عبارة عن سلسلة من السبينات (مغناطيسات صغيرة)، متصلة بذرة واحدة تعمل بمثابة الثلاجة. سوف تتجمد سلسلة الدوران تمامًا. عدد لا بأس به من علماء الفيزياء، الذين نشأوا على مطابقة القانون الثالث للديناميكا الحرارية مع تأكيد نيرنست على استحالة الوصول إلى الصفر المطلق، قد يشعرون بعدم الارتياح بشأن هذا التنبؤ، الذي يشير إلى إعادة النظر في معنى القانون الثالث. لكن المفاجآت والخلافات، كما نعلم، هي أقوى محركات نمو العلم الحديث". ويعتقد البروفيسور كوريتسكي أن النقاش سيتم حسمه من خلال التجارب التي يمكن إجراؤها بالغازات الباردة.
