Για σχεδόν δύο αιώνες, ο νόμος του Carnot θεωρούνταν ένα από τα πιο ακλόνητα θεμέλια της φυσικής: καμία μηχανή δεν μπορεί να μετατρέψει όλη τη θερμότητα σε ωφέλιμο έργο. Όμως μια νέα θεωρητική ανακάλυψη από το University of Stuttgart έρχεται να ταράξει αυτό το αξίωμα. Όπως δείχνει μελέτη που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Science Advances, οι κανόνες της Θερμοδυναμικής φαίνεται να αλλάζουν όταν κατεβαίνουμε στο κβαντικό επίπεδο — στο βασίλειο των ατόμων και των υποατομικών σωματιδίων.
Η ερευνητική ομάδα, με επικεφαλής τον Eric Lutz, καθηγητή θεωρητικής φυσικής, και τον ερευνητή Milton Aguilar, ανέπτυξε ένα μοντέλο που δείχνει πως σε νανοκλίμακα, οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ σωματιδίων μπορούν να οδηγήσουν σε μηχανές με απόδοση μεγαλύτερη από εκείνη που προβλέπει ο κλασικός νόμος του Carnot. Με άλλα λόγια, οι «ατομικές μηχανές» του μέλλοντος ενδέχεται να ξεπερνούν το θεωρητικά αξεπέραστο όριο της απόδοσης που έθεσε η φυσική εδώ και 200 χρόνια.
Για να κατανοήσουμε τη σημασία αυτής της ανατροπής, πρέπει να επιστρέψουμε στο 1824, όταν ο Γάλλος φυσικός Sadi Carnot διατύπωσε τη θεμελιώδη αρχή της θερμοδυναμικής. Σύμφωνα με αυτήν, καμία θερμική μηχανή —είτε πρόκειται για ατμομηχανή είτε για τουρμπίνα— δεν μπορεί να μετατρέψει πλήρως τη θερμότητα σε έργο. Ένα μέρος της ενέργειας πρέπει πάντα να διαφεύγει στο περιβάλλον, υπό τη μορφή απώλειας. Ο νόμος αυτός περιγράφει το φυσικό όριο της απόδοσης για κάθε γνωστό κινητήρα, και μέχρι σήμερα δεν είχε υπάρξει καμία εξαίρεση.
Όμως ο κόσμος των ατόμων ακολουθεί άλλους κανόνες. Εκεί, τα σωματίδια δεν είναι ανεξάρτητα μεταξύ τους όπως στις μακροσκοπικές μηχανές, αλλά αλληλεπιδρούν, συσχετίζονται και, χάρη στην κβαντική φυσική, μπορούν να «επικοινωνούν» με τρόπους που ξεπερνούν την κλασική λογική. Αυτές οι λεγόμενες κβαντικές συσχετίσεις —όπως η εμπλοκή ή η συνεκτικότητα— επηρεάζουν τον τρόπο που ρέει και μετατρέπεται η ενέργεια.
Ο Lutz και ο Aguilar επέκτειναν τα θεμέλια της θερμοδυναμικής εισάγοντας ένα νέο μαθηματικό πλαίσιο που λαμβάνει υπόψη αυτές τις συσχετίσεις. Το αποτέλεσμα; Ανακάλυψαν ότι η ενέργεια που «κρύβεται» σε αυτές τις αλληλεπιδράσεις μπορεί να μετατραπεί σε μηχανικό έργο. Έτσι, μια κβαντική μηχανή δεν αξιοποιεί μόνο τη θερμότητα, αλλά και την ενέργεια των ίδιων των δεσμών ανάμεσα στα σωματίδια, κάτι που οδηγεί σε αποδόσεις μεγαλύτερες από το όριο Carnot.
Το συμπέρασμα μοιάζει σχεδόν αιρετικό: μια μηχανή που ξεπερνά έναν από τους πιο ιερούς νόμους της Φυσικής. Όμως, όπως ξεκαθαρίζουν οι ερευνητές, δεν πρόκειται για παραβίαση, αλλά για εξέλιξη της θεωρίας. Οι νόμοι του Carnot ισχύουν απολύτως για τις κλασικές, μακροσκοπικές μηχανές· απλώς χρειάζονται διόρθωση όταν περνάμε στον μικρόκοσμο, όπου οι κβαντικές επιδράσεις δεν μπορούν να αγνοηθούν.
Αν επιβεβαιωθούν πειραματικά, τα ευρήματα αυτά θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε μια νέα γενιά μηχανών — τόσο μικρών, ώστε να χωρούν μέσα σε ένα μόριο. Ο Lutz εξηγεί ότι στο μέλλον θα μπορούσαμε να δούμε «κινητήρες μεγέθους ενός μόνο ατόμου, ικανούς να εκτελούν εξαιρετικά ακριβείς εργασίες σε νανοκλίμακα». Μια τέτοια τεχνολογία θα μπορούσε να βρει εφαρμογή στη νανοϊατρική, όπου θεραπευτικά νανορομπότ κινούνται μέσα στο ανθρώπινο σώμα, ή στη βιομηχανία, για τη διαχείριση υλικών σε ατομικό επίπεδο.
Η δυνατότητα να δημιουργηθούν μηχανές που αξιοποιούν τις κβαντικές ιδιότητες της ύλης ανοίγει μια εντελώς νέα εποχή για τη Φυσική. Εδώ και δεκαετίες, οι ερευνητές ονειρεύονται συσκευές που θα μπορούσαν να λειτουργούν εκεί όπου οι κλασικοί νόμοι αποτυγχάνουν, μέσα στο βασίλειο των qubits, των φωτονίων και των ατόμων. Αν οι «κβαντικές μηχανές» αυτές γίνουν πραγματικότητα, θα μπορούσαν να προσφέρουν αποδόσεις αδιανόητες για τις σημερινές θερμικές μηχανές και να αποτελέσουν τον κινητήριο μηχανισμό των μελλοντικών νανοτεχνολογιών.
Ωστόσο, οι ερευνητές επισημαίνουν ότι βρισκόμαστε ακόμα σε θεωρητικό στάδιο. Το επόμενο βήμα είναι να αποδειχθεί πειραματικά πως μια τέτοια μηχανή μπορεί πράγματι να λειτουργήσει, εκμεταλλευόμενη την ενέργεια των κβαντικών συσχετίσεων. Αν αυτό επιτευχθεί, τότε η Θερμοδυναμική, η επιστήμη που γεννήθηκε στις μηχανές ατμού του 19ου αιώνα, θα κάνει το άλμα της στον κόσμο των quanta.
«Οι κβαντικές συσχετίσεις είναι μια ενεργειακή πηγή που μέχρι σήμερα αγνοούσαμε», υπογραμμίζουν οι Lutz και Aguilar. «Δεν καταργούμε τη φυσική που γνωρίζουμε, αλλά την ολοκληρώνουμε».
[source]
