Eksperiment vender retningen af ​​varmestrømmen

Varmen strømmer fra varme til kolde genstande. Når en varm og en kold krop er i termisk kontakt, de udveksler varmeenergi, indtil de når termisk ligevægt, med den varme krop nedkøling og den kolde krop opvarmning. Dette er et naturligt fænomen, vi oplever hele tiden. Det forklares af den anden termodynamiske lov, der siger, at den samlede entropi af et isoleret system altid har en tendens til at stige over tid, indtil det når et maksimum. Entropi er et kvantitativt mål for lidelsen i et system. Isolerede systemer udvikler sig spontant mod stadig mere uordnede tilstande og mangel på differentiering.

Et eksperiment udført af forskere ved det brasilianske center for forskning i fysik (CBPF) og Federal University of the ABC (UFABC), samt samarbejdspartnere på andre institutioner i Brasilien og andre steder, har vist, at kvantekorrelationer påvirker den måde, entropi fordeles mellem dele i termisk kontakt, vende retningen af ​​den såkaldte "tidens termodynamiske pil."

Med andre ord, varme kan strømme spontant fra en kold genstand til en varm genstand uden at skulle bruge energi på processen, som kræves af et køleskab i hjemmet. En artikel, der beskriver eksperimentet med teoretiske overvejelser, er netop blevet offentliggjort i Naturkommunikation .

Den første forfatter til artiklen, Kaonan Micadei, afsluttet sin ph.d. under tilsyn af professor Roberto Serra og laver nu postdoktoral forskning i Tyskland. Serra, også en af ​​forfatterne til artiklen, blev støttet af FAPESP via Brasiliens National Institute of Science and Technology in Quantum Information. FAPESP tildelte også to forskningsstipendier knyttet til projektet til en anden medforfatter, Gabriel Teixeira Landi, en professor ved University of São Paulo's Physics Institute (IF-USP).

"Korrelationer kan siges at repræsentere information, der deles mellem forskellige systemer. I den makroskopiske verden beskrevet af klassisk fysik, tilføjelsen af ​​energi udefra kan vende varmestrømmen i et system, så det strømmer fra koldt til varmt. Dette er hvad der sker i et almindeligt køleskab, for eksempel, "Serra fortalte Agência FAPESP.

"Det er muligt at sige, at i vores nanoskopiske eksperiment, kvantekorrelationerne frembragte en analog effekt til tilføjet energi. Strømningsretningen blev vendt uden at overtræde termodynamikkens anden lov. Tværtimod, hvis vi tager hensyn til informationsteorielementer i beskrivelsen af ​​varmeoverførsel, vi finder en generaliseret form for den anden lov og demonstrerer kvantekorrelationers rolle i processen. "

Forsøget blev udført med en prøve af chloroformmolekyler (et hydrogenatom, et carbonatom og tre chloratomer) mærket med en carbon-13 isotop. Prøven blev fortyndet i opløsning og undersøgt ved hjælp af et nuklear magnetisk resonansspektrometer, ligner MR -scannerne, der bruges på hospitaler, men med et meget stærkere magnetfelt.

"Vi undersøgte temperaturændringer i centrifugeringerne af brint- og carbonatomernes kerner. Kloratomerne havde ingen væsentlig rolle i forsøget. Vi brugte radiofrekvenspulser til at placere hver kernes spin ved en anden temperatur, en køler, endnu en varmere. Temperaturforskellene var små, i størrelsesordenen titusinde milliarder af 1 Kelvin, men vi har nu teknikker, der sætter os i stand til at manipulere og måle kvantesystemer med ekstrem præcision. I dette tilfælde, vi målte radiofrekvensudsvingene produceret af atomkernerne, "Sagde Serra.

Forskerne undersøgte to situationer:i en, brint- og kulstofkerner begyndte processen ukorreleret, og i den anden, de var oprindeligt kvantekorreleret.

"I det første tilfælde med kernerne ukorrelerede, vi observerede varme strømme i den sædvanlige retning, fra varmt til koldt, indtil begge kerner havde samme temperatur. I det andet, med kernerne oprindeligt korreleret, vi observerede varme strømme i den modsatte retning, fra koldt til varmt. Effekten varede et par tusindedele af et sekund, indtil den første korrelation var forbrugt, "Forklarede Serra.

Det mest bemærkelsesværdige aspekt ved dette resultat er, at det foreslår en proces med kvantekøling, hvor tilsætning af ekstern energi (som det gøres i køleskabe og klimaanlæg til afkøling af et bestemt miljø) kan erstattes af korrelationer, dvs. en udveksling af oplysninger mellem objekter.

Maxwells dæmon

Tanken om, at information kan bruges til at vende varmestrømningsretningen - med andre ord, at medføre et lokalt fald i entropi-opstod i klassisk fysik i midten af ​​1800-tallet, længe før informationsteorien blev opfundet.

Det var et tankeeksperiment foreslået i 1867 af James Clerk Maxwell (1831-1879), WHO, blandt andet, skabt de berømte klassiske elektromagnetisme ligninger. I dette tankeeksperiment, hvilket udløste en heftig kontrovers på det tidspunkt, den store skotske fysiker sagde, at hvis der var et væsen, der var i stand til at kende hastigheden for hvert molekyle i en gas og manipulere alle molekylerne i mikroskopisk skala, dette væsen kunne opdele dem i to modtagere, placere hurtigere molekyler end gennemsnittet i det ene for at skabe et varmt rum og langsommere end gennemsnittet i det andet for at skabe et koldt rum. På denne måde, en gas, der oprindeligt var i termisk ligevægt på grund af en blanding af hurtigere og langsommere molekyler, ville udvikle sig til en differentieret tilstand med mindre entropi.

Maxwell havde til hensigt med tankeeksperimentet at bevise, at termodynamikkens anden lov blot var statistisk.

"Da han foreslog, som var i stand til at gribe ind i den materielle verden på molekylær eller atomskala, blev kendt som "Maxwells dæmon". Det var en fiktion opfundet af Maxwell for at præsentere sit synspunkt. Imidlertid, vi er nu faktisk i stand til at operere på atom eller endnu mindre skalaer, så de sædvanlige forventninger ændres, "Sagde Serra.

Eksperimentet udført af Serra og samarbejdspartnere og beskrevet i den netop publicerede artikel er en demonstration af dette. Det gengav ikke Maxwells tankeeksperiment, selvfølgelig, men det gav et analogt resultat.

"Når vi taler om information, vi henviser ikke til noget uhåndgribeligt. Information kræver et fysisk underlag, et minde. Hvis du vil slette 1 bit hukommelse fra et flashdrev, du skal bruge 10, 000 gange en minimumsmængde energi, der består af Boltzmanns konstante gange den absolutte temperatur. Dette minimum af energi, der er nødvendigt for at slette oplysninger, er kendt som Landauers princip. Dette forklarer, hvorfor sletning af oplysninger genererer varme. Notebook -batterier forbruges af varme mere end noget andet, "Sagde Serra.

Hvad forskerne observerede var, at oplysningerne i kvantekorrelationerne kan bruges til at udføre arbejde, i dette tilfælde overførsel af varme fra en koldere til en varmere genstand, uden at forbruge ekstern energi.

"Vi kan kvantificere korrelationen mellem to systemer ved hjælp af bits. Forbindelser mellem kvantemekanik og informationsteori skaber det, der kaldes kvanteinformationsvidenskab. Fra det praktiske synspunkt, den effekt, vi undersøgte, kunne en dag bruges til at afkøle en del af en kvantecomputers processor, "Sagde Serra.