Η σχέση της φυσικής με την ενέργεια ήταν ανέκαθεν μια ιστορία τάξης και αταξίας. Από τις ατμομηχανές της Βιομηχανικής Επανάστασης μέχρι τους σύγχρονους υπερυπολογιστές, οι νόμοι της θερμοδυναμικής αποτελούν τον ακρογωνιαίο λίθο της κατανόησής μας για το πώς λειτουργεί το Σύμπαν. Ωστόσο, όταν κατεβαίνουμε στην κλίμακα του μικρόκοσμου, εκεί που κυριαρχούν τα παράδοξα της κβαντικής μηχανικής, αυτοί οι ακλόνητοι νόμοι αρχίζουν να θολώνουν. Μια νέα έρευνα από το Πανεπιστήμιο της Βασιλείας έρχεται να ρίξει φως σε αυτό το σκοτεινό τοπίο, προτείνοντας έναν καινοτόμο τρόπο για να ορίσουμε εκ νέου τι σημαίνει «έργο» και «θερμότητα» στο κβαντικό επίπεδο.
Από τα κανόνια του Μονάχου στα Κβαντικά Εργαστήρια
Για να κατανοήσουμε τη σημασία της νέας ανακάλυψης, πρέπει να γυρίσουμε τον χρόνο πίσω, στο 1798. Τότε, ο φυσικός και στρατιωτικός Μπέντζαμιν Τόμσον (γνωστός ως Κόμης Ράμφορντ) παρατήρησε κάτι εξαιρετικά απλό αλλά επαναστατικό: κατά τη διάτρηση καννών για κανόνια στο Μόναχο, το μέταλλο θερμαινόταν συνεχώς. Αυτή η παρατήρηση τον οδήγησε στο συμπέρασμα ότι η θερμότητα δεν ήταν κάποια μυστηριώδης ρευστή ουσία, όπως πίστευαν τότε, αλλά το αποτέλεσμα της μηχανικής κίνησης και της τριβής.
Αυτή η θεμελιώδης γνώση έθεσε τις βάσεις για τη θερμοδυναμική, την επιστήμη που περιγράφει πώς η ενέργεια μετατρέπεται και πώς η αταξία (εντροπία) ενός κλειστού συστήματος τείνει πάντα να αυξάνεται. Για περισσότερους από δύο αιώνες, αυτοί οι κανόνες λειτούργησαν άψογα για τον μακροσκοπικό μας κόσμο. Τι συμβαίνει όμως όταν προσπαθούμε να τους εφαρμόσουμε σε συστήματα που αποτελούνται από λίγα μόνο άτομα ή φωτόνια;
Το πρόβλημα του Κβαντικού Ορίου
Στον κόσμο της κβαντικής φυσικής, οι διαχωριστικές γραμμές δεν είναι σαφείς. Ενώ στην καθημερινότητά μας είναι εύκολο να ξεχωρίσουμε την «ωφέλιμη ενέργεια» (έργο) από την «άχρηστη αταξία» (θερμότητα), στα μικροσκοπικά συστήματα τα όρια αυτά γίνονται δυσδιάκριτα. Όπως εξηγεί ο υποψήφιος διδάκτορας Aaron Daniel, μέλος της ερευνητικής ομάδας του καθηγητή Patrick Potts στη Βασιλεία, το πρόβλημα έγκειται στο γεγονός ότι σε ένα κβαντικό σύστημα τα πάντα είναι μικροσκοπικά. Η διάκριση μεταξύ της μακροσκοπικής ωφέλιμης ενέργειας και της μικροσκοπικής τυχαίας κίνησης παύει να είναι αυτονόητη.
Εδώ έρχεται η καινοτομία της ερευνητικής ομάδας, τα ευρήματα της οποίας δημοσιεύθηκαν πρόσφατα στο έγκριτο επιστημονικό περιοδικό Physical Review Letters. Οι φυσικοί ανέπτυξαν ένα νέο θεωρητικό πλαίσιο που επιτρέπει τον ακριβή ορισμό των θερμοδυναμικών ποσοτήτων ακόμη και σε συστήματα που διέπονται από τους νόμους της κβαντομηχανικής.
Το πείραμα με το φως και τα κάτοπτρα
Για να λύσουν τον γρίφο, οι ερευνητές εστίασαν σε συστήματα που ονομάζονται «οπτικές κοιλότητες». Φανταστείτε δύο κάτοπτρα τοποθετημένα αντικριστά, τα οποία παγιδεύουν δέσμες laser, αναγκάζοντας το φως να αναπηδά μπρος-πίσω πριν τελικά διαφύγει. Το κλειδί βρίσκεται στη φύση του φωτός laser. Σε αντίθεση με το φως μιας κοινής λάμπας, τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα του laser κινούνται σε τέλειο συγχρονισμό, μια ιδιότητα που ονομάζεται «συμφωνία φάσης».
Όταν αυτό το απόλυτα συγχρονισμένο φως περνά μέσα από την κοιλότητα που είναι γεμάτη με άτομα, η αλληλεπίδραση διαταράσσει την τάξη του. Ένα μέρος του φωτός χάνει τον συγχρονισμό του και γίνεται «ασύμφωνο», κάτι που αντιστοιχεί στην άτακτη κίνηση των σωματιδίων.
Η ομάδα του Πανεπιστημίου της Βασιλείας πρότεινε έναν νέο ορισμό: Το «έργο» είναι το μέρος της ενέργειας που διατηρεί τη συμφωνία φάσης (τον συγχρονισμό του), ενώ η «θερμότητα» είναι το μέρος που χάνει αυτή την ιδιότητα και γίνεται θόρυβος. Με αυτόν τον διαχωρισμό, οι ερευνητές απέδειξαν ότι οι θεμελιώδεις νόμοι της θερμοδυναμικής παραμένουν ισχυροί και αυτοσυνεπείς ακόμη και υπό αυτές τις ακραίες συνθήκες.
Γιατί αυτό έχει σημασία: Από τις Κβαντικές Μπαταρίες στο μέλλον
Η σημασία αυτής της μελέτης δεν περιορίζεται στα θεωρητικά κιτάπια της φυσικής. Έχει άμεσες προεκτάσεις στην ανάπτυξη τεχνολογιών αιχμής. Ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι η «κβαντική μπαταρία». Για να φορτιστεί μια τέτοια συσκευή, απαιτείται φως με υψηλή συνοχή που μπορεί να διεγείρει τα άτομα σε μια ανώτερη ενεργειακή στάθμη.
Μέχρι τώρα, μια απλουστευμένη προσέγγιση θα θεωρούσε ότι μόνο το φως που εισέρχεται παράγει έργο, ενώ το φως που εξέρχεται είναι απώλεια. Η νέα μελέτη δείχνει ότι η πραγματικότητα είναι πιο σύνθετη: ακόμη και το φως που έχει χάσει μέρος της συνοχής του μπορεί να προσφέρει ωφέλιμο έργο, απλώς λιγότερο αποδοτικά. Αυτή η λεπτομερής κατανόηση επιτρέπει στους επιστήμονες να υπολογίσουν με ακρίβεια την απόδοση των κβαντικών συστημάτων.
Ο Max Schrauwen, φοιτητής που συμμετείχε στη μελέτη, τονίζει ότι η συνοχή του φωτός αποτέλεσε την αφετηρία για τους υπολογισμούς τους, ανοίγοντας τον δρόμο για την καλύτερη κατανόηση των κβαντικών δικτύων και των υπολογιστών του μέλλοντος.
Ένα βήμα πιο κοντά στην κατανόηση της πραγματικότητας
Πέρα από τις τεχνολογικές εφαρμογές, η έρευνα αγγίζει και βαθύτερα ερωτήματα. Πώς αναδύεται ο οικείος, κλασικός κόσμος μας από το θεμελιώδες χάος της κβαντικής φυσικής; Η προσέγγιση της ομάδας της Βασιλείας προσφέρει ένα νέο εργαλείο για να γεφυρώσουμε αυτό το χάσμα. Όπως αναφέρει ο Aaron Daniel, το νέο φορμαλιστικό πλαίσιο θα επιτρέψει τη μελέτη ακόμη πιο σύνθετων προβλημάτων στο μέλλον.
