Η Κβαντική Θερμοδυναμική Επανάσταση

Στο βιβλίο του του 1824, Στοχασμοί για την κινητήρια δύναμη της φωτιάς , ο 28χρονος Γάλλος μηχανικός Sadi Carnot επεξεργάστηκε μια φόρμουλα για το πόσο αποτελεσματικά οι ατμομηχανές μπορούν να μετατρέψουν τη θερμότητα —που τώρα είναι γνωστό ότι είναι ένα τυχαίο, διάχυτο είδος ενέργειας— σε εργασία, ένα κανονικό είδος ενέργειας που μπορεί να σπρώξει ένα έμβολο ή γυρίστε έναν τροχό. Προς έκπληξη του Carnot, ανακάλυψε ότι η απόδοση ενός τέλειου κινητήρα εξαρτάται μόνο από τη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ της πηγής θερμότητας του κινητήρα (συνήθως πυρκαγιά) και της ψύκτρας του (συνήθως ο εξωτερικός αέρας). Η εργασία είναι ένα υποπροϊόν, συνειδητοποίησε ο Carnot, της θερμότητας που περνά φυσικά σε ένα ψυχρότερο σώμα από ένα θερμότερο.

Ο Carnot πέθανε από χολέρα οκτώ χρόνια αργότερα, πριν προλάβει να δει τη φόρμουλα απόδοσης του να εξελίσσεται τον 19ο αιώνα στη θεωρία της θερμοδυναμικής:ένα σύνολο παγκόσμιων νόμων που υπαγορεύουν την αλληλεπίδραση μεταξύ θερμοκρασίας, θερμότητας, εργασίας, ενέργειας και εντροπίας - ένα μέτρο της αδιάκοπης ενέργειας που εξαπλώνεται από περισσότερο σε λιγότερο ενεργητικά σώματα. Οι νόμοι της θερμοδυναμικής ισχύουν όχι μόνο για τις ατμομηχανές αλλά και για οτιδήποτε άλλο:τον ήλιο, τις μαύρες τρύπες, τα ζωντανά όντα και ολόκληρο το σύμπαν. Η θεωρία είναι τόσο απλή και γενική που ο Άλμπερτ Αϊνστάιν θεώρησε ότι ήταν πιθανό να «δεν θα ανατραπεί ποτέ».

Ωστόσο, από την αρχή, η θερμοδυναμική κατείχε μια μοναδική περίεργη θέση μεταξύ των θεωριών της φύσης.

«Αν οι φυσικές θεωρίες ήταν άνθρωποι, η θερμοδυναμική θα ήταν η μάγισσα του χωριού», έγραψαν πέρυσι η φυσική Lídia del Rio και οι συγγραφείς της στο Journal of Physics A . "Οι άλλες θεωρίες τη βρίσκουν κάπως περίεργη, κάπως διαφορετική στη φύση από τις υπόλοιπες, ωστόσο όλοι έρχονται σε αυτήν για συμβουλές και κανείς δεν τολμά να της αντικρούσει."

Σε αντίθεση, ας πούμε, με το Καθιερωμένο Μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής, που προσπαθεί να φτάσει σε αυτό που υπάρχει, οι νόμοι της θερμοδυναμικής λένε μόνο τι μπορεί και τι δεν μπορεί να γίνει. Αλλά ένα από τα πιο περίεργα πράγματα σχετικά με τη θεωρία είναι ότι αυτοί οι κανόνες φαίνονται υποκειμενικοί. Ένα αέριο φτιαγμένο από σωματίδια που στο σύνολό τους φαίνονται να έχουν την ίδια θερμοκρασία - και επομένως ανίκανο να κάνει εργασία - μπορεί, μετά από πιο προσεκτική εξέταση, να έχει μικροσκοπικές διαφορές θερμοκρασίας που θα μπορούσαν τελικά να αξιοποιηθούν. Όπως το έθεσε ο φυσικός του 19ου αιώνα James Clerk Maxwell, «Η ιδέα της διασποράς της ενέργειας εξαρτάται από την έκταση της γνώσης μας».

Τα τελευταία χρόνια, έχει εμφανιστεί μια επαναστατική κατανόηση της θερμοδυναμικής που εξηγεί αυτήν την υποκειμενικότητα χρησιμοποιώντας την κβαντική θεωρία πληροφοριών — " ένα μικρό παιδί ανάμεσα σε φυσικές θεωρίες», όπως το έθεσαν ο del Rio και οι συνεργάτες του, που περιγράφει τη διάδοση πληροφοριών μέσω των κβαντικών συστημάτων. Ακριβώς όπως η θερμοδυναμική αναπτύχθηκε αρχικά από την προσπάθεια βελτίωσης των ατμομηχανών, οι σημερινοί θερμοδυναμικοί σκέφτονται τη λειτουργία των κβαντικών μηχανών. Η τεχνολογία συρρίκνωσης – ένας κινητήρας ενός ιόντος και ένα ψυγείο τριών ατόμων υλοποιήθηκαν πειραματικά για πρώτη φορά τον περασμένο χρόνο – τους αναγκάζει να επεκτείνουν τη θερμοδυναμική στο κβαντικό βασίλειο, όπου έννοιες όπως η θερμοκρασία και η εργασία χάνουν τη συνηθισμένη τους σημασία. Οι κλασικοί νόμοι δεν ισχύουν απαραίτητα.

Έχουν βρει νέες, κβαντικές εκδοχές των νόμων που κλιμακώνονται μέχρι τα πρωτότυπα. Η επανεγγραφή της θεωρίας από κάτω προς τα πάνω οδήγησε τους ειδικούς να αναδιατυπώσουν τις βασικές της έννοιες ως προς την υποκειμενική της φύση και να ξεδιαλύνουν τη βαθιά και συχνά εκπληκτική σχέση μεταξύ ενέργειας και πληροφοριών - τα αφηρημένα 1 και 0 με τα οποία διακρίνονται οι φυσικές καταστάσεις και η γνώση είναι μετρημένος. Η «κβαντική θερμοδυναμική» είναι ένα πεδίο υπό κατασκευή, που χαρακτηρίζεται από ένα τυπικό μείγμα πληθωρικότητας και σύγχυσης.

«Μπαίνουμε σε έναν γενναίο νέο κόσμο θερμοδυναμικής», δήλωσε ο Sandu Popescu, φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Μπρίστολ, ο οποίος είναι ένας από τους ηγέτες της ερευνητικής προσπάθειας. "Αν και ήταν πολύ καλό όπως ξεκίνησε", είπε, αναφερόμενος στην κλασική θερμοδυναμική, "μέχρι τώρα το εξετάζουμε με έναν εντελώς νέο τρόπο."

Η εντροπία ως αβεβαιότητα

Σε μια επιστολή του 1867 προς τον συνάδελφό του Σκωτσέζο Πίτερ Τέιτ, ο Μάξγουελ περιέγραψε το διάσημο πλέον παράδοξό του υπονοώντας τη σύνδεση μεταξύ θερμοδυναμικής και πληροφοριών. Το παράδοξο αφορούσε τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής - τον κανόνα ότι η εντροπία πάντα αυξάνεται - για τον οποίο ο σερ Άρθουρ Έντινγκτον θα έλεγε αργότερα «κατέχει την υπέρτατη θέση μεταξύ των νόμων της φύσης». Σύμφωνα με τον δεύτερο νόμο, η ενέργεια γίνεται όλο και πιο άτακτη και λιγότερο χρήσιμη καθώς εξαπλώνεται σε ψυχρότερα σώματα από θερμότερα και οι διαφορές στη θερμοκρασία μειώνονται. (Θυμηθείτε την ανακάλυψη του Carnot ότι χρειάζεστε ένα ζεστό και ένα κρύο σώμα για να κάνετε δουλειά.) Οι φωτιές σβήνουν, τα φλιτζάνια του καφέ δροσίζονται και το σύμπαν ορμάει προς μια κατάσταση ομοιόμορφης θερμοκρασίας γνωστή ως «θερμικός θάνατος», μετά την οποία δεν μπορεί να γίνει άλλη δουλειά να γίνει.

Ο μεγάλος Αυστριακός φυσικός Ludwig Boltzmann έδειξε ότι η ενέργεια διασπείρεται και η εντροπία αυξάνεται, ως απλό θέμα στατιστικής:Υπάρχουν πολλοί περισσότεροι τρόποι για να διαδοθεί η ενέργεια μεταξύ των σωματιδίων ενός συστήματος από ό,τι συγκεντρώνεται σε λίγα, έτσι όπως τα σωματίδια κινούνται και αλληλεπιδρούν, τείνουν φυσικά προς καταστάσεις στις οποίες η ενέργειά τους μοιράζεται όλο και περισσότερο.

Αλλά η επιστολή του Μάξγουελ περιέγραφε ένα πείραμα σκέψης στο οποίο ένα φωτισμένο ον - που αργότερα ονομάστηκε δαίμονας του Μάξγουελ - χρησιμοποιεί τη γνώση του για να μειώσει την εντροπία και να παραβιάσει τον δεύτερο νόμο. Ο δαίμονας γνωρίζει τις θέσεις και τις ταχύτητες κάθε μορίου σε ένα δοχείο αερίου. Διαχωρίζοντας το δοχείο και ανοίγοντας και κλείνοντας μια μικρή πόρτα μεταξύ των δύο θαλάμων, ο δαίμονας αφήνει μόνο τα γρήγορα κινούμενα μόρια να εισέλθουν στη μία πλευρά, ενώ επιτρέπει μόνο σε αργά μόρια να πάνε από την άλλη. Οι ενέργειες του δαίμονα χωρίζουν το αέριο σε ζεστό και κρύο, συγκεντρώνοντας την ενέργειά του και μειώνοντας τη συνολική του εντροπία. Το άλλοτε άχρηστο αέριο μπορεί τώρα να τεθεί σε λειτουργία.

Ο Maxwell και άλλοι αναρωτήθηκαν πώς ένας νόμος της φύσης θα μπορούσε να εξαρτάται από τη γνώση - ή την άγνοια - για τις θέσεις και τις ταχύτητες των μορίων. Εάν ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής εξαρτάται υποκειμενικά από τις πληροφορίες κάποιου, με ποια έννοια είναι αλήθεια;

Έναν αιώνα αργότερα, ο Αμερικανός φυσικός Charles Bennett, βασιζόμενος στο έργο των Leo Szilard και Rolf Landauer, έλυσε το παράδοξο συνδέοντας επίσημα τη θερμοδυναμική με τη νεαρή επιστήμη της πληροφορίας. Ο Μπένετ υποστήριξε ότι η γνώση του δαίμονα αποθηκεύεται στη μνήμη του και η μνήμη πρέπει να καθαριστεί, κάτι που θέλει δουλειά. (Το 1961, ο Landauer υπολόγισε ότι σε θερμοκρασία δωματίου, χρειάζονται τουλάχιστον 2,9 zeptojoules ενέργειας για να διαγράψει ένας υπολογιστής ένα κομμάτι αποθηκευμένων πληροφοριών.) Με άλλα λόγια, καθώς ο δαίμονας οργανώνει το αέριο σε ζεστό και κρύο και μειώνει την εντροπία του αερίου , ο εγκέφαλός του καίει ενέργεια και παράγει περισσότερο από αρκετή εντροπία για να αντισταθμίσει. Η συνολική εντροπία του συστήματος αερίου-δαίμονα αυξάνεται, ικανοποιώντας τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής.

Τα ευρήματα αποκάλυψαν ότι, όπως το έθεσε ο Landauer, «οι πληροφορίες είναι φυσικές». Όσο περισσότερες πληροφορίες έχετε, τόσο περισσότερη δουλειά μπορείτε να εξαγάγετε. Ο δαίμονας του Maxwell μπορεί να στύψει την εργασία από ένα αέριο μίας θερμοκρασίας επειδή έχει πολύ περισσότερες πληροφορίες από τον μέσο χρήστη.

Όμως χρειάστηκε άλλος μισός αιώνας και η άνοδος της θεωρίας της κβαντικής πληροφορίας, ενός πεδίου που γεννήθηκε στην αναζήτηση του κβαντικού υπολογιστή, για να εξερευνήσουν πλήρως οι φυσικοί τις εκπληκτικές συνέπειες.

Την τελευταία δεκαετία, ο Ποπέσκου και οι συνάδελφοί του στο Μπρίστολ, μαζί με άλλες ομάδες, υποστήριξαν ότι η ενέργεια εξαπλώνεται σε κρύα αντικείμενα από θερμά λόγω του τρόπου με τον οποίο οι πληροφορίες διαχέονται μεταξύ των σωματιδίων. Σύμφωνα με την κβαντική θεωρία, οι φυσικές ιδιότητες των σωματιδίων είναι πιθανολογικές. Αντί να αναπαρασταθούν ως 1 ή 0, μπορούν να έχουν κάποια πιθανότητα να είναι 1 και κάποια πιθανότητα να είναι 0 ταυτόχρονα. Όταν τα σωματίδια αλληλεπιδρούν, μπορούν επίσης να μπερδευτούν, ενώνοντας τις κατανομές πιθανοτήτων που περιγράφουν και τις δύο καταστάσεις τους. Ένας κεντρικός πυλώνας της κβαντικής θεωρίας είναι ότι οι πληροφορίες - τα πιθανολογικά 1 και 0 που αντιπροσωπεύουν τις καταστάσεις των σωματιδίων - δεν χάνονται ποτέ. (Η παρούσα κατάσταση του σύμπαντος διατηρεί όλες τις πληροφορίες για το παρελθόν.)

Με την πάροδο του χρόνου, ωστόσο, καθώς τα σωματίδια αλληλεπιδρούν και μπλέκονται όλο και περισσότερο, οι πληροφορίες για τις επιμέρους καταστάσεις τους διαδίδονται και ανακατεύονται και μοιράζονται σε όλο και περισσότερα σωματίδια. Ο Ποπέσκου και οι συνεργάτες του πιστεύουν ότι το βέλος της αυξανόμενης κβαντικής εμπλοκής βρίσκεται πίσω από την αναμενόμενη άνοδο της εντροπίας - το θερμοδυναμικό βέλος του χρόνου. Ένα φλιτζάνι καφέ ψύχεται σε θερμοκρασία δωματίου, εξηγούν, επειδή καθώς τα μόρια του καφέ συγκρούονται με τα μόρια του αέρα, οι πληροφορίες που κωδικοποιούν την ενέργειά τους διαρρέουν και μοιράζονται από τον περιβάλλοντα αέρα.

Η κατανόηση της εντροπίας ως υποκειμενικού μέτρου επιτρέπει στο σύμπαν ως σύνολο να εξελίσσεται χωρίς ποτέ να χάνει πληροφορίες. Ακόμη και όταν μέρη του σύμπαντος, όπως ο καφές, οι κινητήρες και οι άνθρωποι, βιώνουν αυξανόμενη εντροπία καθώς οι κβαντικές πληροφορίες τους αραιώνονται, η παγκόσμια εντροπία του σύμπαντος παραμένει για πάντα μηδενική.

Ο Renato Renner, καθηγητής στο ETH της Ζυρίχης στην Ελβετία, το περιέγραψε ως μια ριζική αλλαγή προοπτικής. Πριν από δεκαπέντε χρόνια, «θεωρήσαμε την εντροπία ως ιδιότητα ενός θερμοδυναμικού συστήματος», είπε. "Τώρα στη θεωρία της πληροφορίας, δεν θα λέγαμε ότι η εντροπία είναι μια ιδιότητα ενός συστήματος, αλλά μια ιδιότητα ενός παρατηρητή που περιγράφει ένα σύστημα."

Επιπλέον, η ιδέα ότι η ενέργεια έχει δύο μορφές, άχρηστη θερμότητα και χρήσιμη εργασία, «έκανε νόημα για τις ατμομηχανές», είπε ο Ρένερ. "Με τον νέο τρόπο, υπάρχει ένα ολόκληρο φάσμα στο ενδιάμεσο — ενέργεια για την οποία έχουμε μερικές πληροφορίες."

Η εντροπία και η θερμοδυναμική είναι «πολύ λιγότερο μυστήριο σε αυτή τη νέα άποψη», είπε. "Γι' αυτό στους ανθρώπους αρέσει η νέα άποψη περισσότερο από την παλιά."

Θερμοδυναμική από συμμετρία

Η σχέση μεταξύ πληροφοριών, ενέργειας και άλλων «διατηρημένων ποσοτήτων», που μπορούν να αλλάξουν χέρια αλλά ποτέ να καταστραφούν, πήρε νέα τροπή σε δύο δημοσιεύσεις που δημοσιεύθηκαν ταυτόχρονα τον περασμένο Ιούλιο στο Nature Communications , ένα από την ομάδα του Μπρίστολ και ένα άλλο από μια ομάδα που περιλάμβανε τον Jonathan Oppenheim στο University College του Λονδίνου. Και οι δύο ομάδες σχεδίασαν ένα υποθετικό κβαντικό σύστημα που χρησιμοποιεί πληροφορίες ως ένα είδος νομίσματος για τις συναλλαγές μεταξύ των άλλων, περισσότερο υλικών πόρων.

Φανταστείτε ένα τεράστιο δοχείο, ή δεξαμενή, σωματιδίων που διαθέτουν τόσο ενέργεια όσο και γωνιακή ορμή (και τα δύο κινούνται και περιστρέφονται). Αυτή η δεξαμενή συνδέεται τόσο με ένα βάρος, το οποίο χρειάζεται ενέργεια για να σηκωθεί, όσο και με μια περιστρεφόμενη πλάκα, η οποία χρειάζεται γωνιακή ορμή για να επιταχύνει ή να επιβραδύνει. Κανονικά, μια ενιαία δεξαμενή δεν μπορεί να κάνει καμία δουλειά - αυτό ανάγεται στην ανακάλυψη του Carnot σχετικά με την ανάγκη για ζεστές και κρύες δεξαμενές. Αλλά οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι μια δεξαμενή που περιέχει πολλαπλές διατηρημένες ποσότητες ακολουθεί διαφορετικούς κανόνες. "Εάν έχετε δύο διαφορετικές φυσικές ποσότητες που διατηρούνται, όπως η ενέργεια και η γωνιακή ορμή", είπε ο Ποπέσκου, "εφόσον έχετε ένα μπάνιο που περιέχει και τα δύο, τότε μπορείτε να ανταλλάξετε το ένα με το άλλο."

Στο υποθετικό σύστημα βάρους-δεξαμενής-περιστρεφόμενου δίσκου, το βάρος μπορεί να σηκωθεί καθώς ο περιστρεφόμενος δίσκος επιβραδύνεται ή, αντίθετα, η μείωση του βάρους προκαλεί την ταχύτερη περιστροφή του δίσκου. Οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι οι κβαντικές πληροφορίες που περιγράφουν τις καταστάσεις ενέργειας και σπιν των σωματιδίων μπορούν να λειτουργήσουν ως ένα είδος νομίσματος που επιτρέπει την ανταλλαγή μεταξύ της ενέργειας της δεξαμενής και των τροφοδοτήσεων γωνιακής ορμής. Η ιδέα ότι οι διατηρημένες ποσότητες μπορούν να ανταλλάσσονται μεταξύ τους σε κβαντικά συστήματα είναι ολοκαίνουργια. Μπορεί να υποδηλώνει την ανάγκη για μια πιο ολοκληρωμένη θερμοδυναμική θεωρία που θα περιγράφει όχι μόνο τη ροή της ενέργειας, αλλά και την αλληλεπίδραση μεταξύ όλων των διατηρημένων ποσοτήτων στο σύμπαν.

Το γεγονός ότι η ενέργεια έχει κυριαρχήσει στην ιστορία της θερμοδυναμικής μέχρι τώρα μπορεί να είναι περιστασιακό παρά βαθύ, είπε ο Oppenheim. Ο Carnot και οι διάδοχοί του θα μπορούσαν να είχαν αναπτύξει μια θερμοδυναμική θεωρία που διέπει τη ροή, ας πούμε, της γωνιακής ορμής για να συμβαδίσουν με τη θεωρία του κινητήρα τους, αν μόνο υπήρχε ανάγκη. "Έχουμε πηγές ενέργειας παντού γύρω μας που θέλουμε να εξάγουμε και να χρησιμοποιήσουμε", είπε ο Oppenheim. «Τυχαίνει να μην έχουμε μεγάλα λουτρά θερμότητας γωνιακής ορμής γύρω μας. Δεν συναντάμε τεράστια γυροσκόπια."

Ο Ποπέσκου, ο οποίος κέρδισε το μετάλλιο Dirac πέρυσι για τις γνώσεις του στην κβαντική θεωρία πληροφοριών και τα κβαντικά θεμέλια, είπε ότι ο ίδιος και οι συνεργάτες του εργάζονται «σπρώχνοντας την κβαντική μηχανική σε μια γωνία», συγκεντρώνοντας σε έναν μαυροπίνακα και συλλογίζοντάς τους την πορεία προς μια νέα αντίληψη μετά την οποία είναι εύκολο να εξαχθούν οι σχετικές εξισώσεις. Μερικές συνειδητοποιήσεις βρίσκονται σε διαδικασία κρυστάλλωσης. Σε μία από τις πολλές τηλεφωνικές συνομιλίες τον Μάρτιο, ο Ποπέσκου συζήτησε ένα νέο πείραμα σκέψης που απεικονίζει τη διάκριση μεταξύ πληροφοριών και άλλων διατηρημένων ποσοτήτων — και υποδεικνύει πώς οι συμμετρίες στη φύση μπορεί να τις διαχωρίζουν.

«Ας υποθέσουμε ότι εσείς και εγώ ζούμε σε διαφορετικούς πλανήτες σε απομακρυσμένους γαλαξίες», είπε, και ας υποθέσουμε ότι αυτός, ο Ποπέσκου, θέλει να επικοινωνήσει πού πρέπει να ψάξετε για να βρείτε τον πλανήτη του. Το μόνο πρόβλημα είναι ότι αυτό είναι φυσικά αδύνατο:«Μπορώ να σας στείλω την ιστορία του Άμλετ. Αλλά δεν μπορώ να σας υποδείξω μια κατεύθυνση.”

Δεν υπάρχει τρόπος να εκφράσουμε σε μια σειρά από καθαρά, χωρίς κατεύθυνση 1 και 0 ποιον τρόπο να ψάξουμε για να βρούμε τους γαλαξίες του άλλου επειδή «η φύση δεν μας παρέχει [ένα πλαίσιο αναφοράς] που είναι παγκόσμιο», είπε ο Ποπέσκου. Εάν συνέβαινε - εάν, για παράδειγμα, μικροσκοπικά βέλη ήταν ραμμένα παντού στο ύφασμα του σύμπαντος, που υποδεικνύουν την κατεύθυνση της κίνησής του - αυτό θα παραβίαζε την «αναλλοίωτη περιστροφή», μια συμμετρία του σύμπαντος. Τα πικάπ θα άρχιζαν να στρέφονται πιο γρήγορα όταν ευθυγραμμίζονται με την κίνηση του σύμπαντος και η γωνιακή ορμή δεν φαίνεται να διατηρείται. Ο μαθηματικός των αρχών του 20ου αιώνα Emmy Noether έδειξε ότι κάθε συμμετρία συνοδεύεται από έναν νόμο διατήρησης:Η περιστροφική συμμετρία του σύμπαντος αντανακλά τη διατήρηση μιας ποσότητας που ονομάζουμε γωνιακή ορμή. Το πείραμα σκέψης του Ποπέσκου υποδηλώνει ότι η αδυναμία έκφρασης της χωρικής κατεύθυνσης με πληροφορίες «μπορεί να σχετίζεται με το νόμο διατήρησης», είπε.

Η φαινομενική αδυναμία να εκφράσουμε τα πάντα για το σύμπαν με όρους πληροφοριών θα μπορούσε να είναι σχετική με την αναζήτηση μιας πιο θεμελιώδους περιγραφής της φύσης. Τα τελευταία χρόνια, πολλοί θεωρητικοί έχουν καταλήξει να πιστεύουν ότι ο χωροχρόνος, ο λυγισμένος ιστός του σύμπαντος και η ύλη και η ενέργεια μέσα σε αυτό μπορεί να είναι ένα ολόγραμμα που προκύπτει από ένα δίκτυο μπερδεμένων κβαντικών πληροφοριών. "Πρέπει να είναι κανείς προσεκτικός", είπε ο Oppenheim, "γιατί οι πληροφορίες συμπεριφέρονται διαφορετικά από άλλες φυσικές ιδιότητες, όπως ο χωροχρόνος."

Η γνώση των λογικών δεσμών μεταξύ των εννοιών θα μπορούσε επίσης να βοηθήσει τους φυσικούς να συλλογιστούν μέσα σε μαύρες τρύπες, μυστηριώδεις χωροχρόνους που καταπίνουν αντικείμενα που είναι γνωστό ότι έχουν θερμοκρασίες και εντροπίες και που με κάποιο τρόπο ακτινοβολούν πληροφορίες. «Μία από τις πιο σημαντικές πτυχές της μαύρης τρύπας είναι η θερμοδυναμική της», είπε ο Ποπέσκου. «Αλλά ο τύπος της θερμοδυναμικής που συζητούν στις μαύρες τρύπες, επειδή είναι ένα τόσο περίπλοκο θέμα, εξακολουθεί να είναι περισσότερο παραδοσιακού τύπου. Αναπτύσσουμε μια εντελώς νέα άποψη για τη θερμοδυναμική». Είναι «αναπόφευκτο», είπε, «τα νέα αυτά εργαλεία που αναπτύσσουμε θα επιστρέψουν στη συνέχεια και θα χρησιμοποιηθούν στη μαύρη τρύπα».

Τι να πείτε στους τεχνολόγους

Η Janet Anders, επιστήμονας κβαντικής πληροφορίας στο Πανεπιστήμιο του Έξετερ, ακολουθεί μια τεχνολογική προσέγγιση για την κατανόηση της κβαντικής θερμοδυναμικής. «Αν προχωρήσουμε όλο και πιο κάτω [σε κλίμακα], θα χτυπήσουμε μια περιοχή για την οποία δεν έχουμε καλή θεωρία», είπε ο Άντερς. "Και το ερώτημα είναι, τι πρέπει να γνωρίζουμε για αυτήν την περιοχή για να πούμε στους τεχνολόγους;"

Το 2012, ο Άντερς συνέλαβε και συνίδρυσε ένα ευρωπαϊκό ερευνητικό δίκτυο αφιερωμένο στην κβαντική θερμοδυναμική που έχει πλέον 300 μέλη. Με τους συναδέλφους της στο δίκτυο, ελπίζει να ανακαλύψει τους κανόνες που διέπουν τις κβαντικές μεταβάσεις των κβαντικών μηχανών και ψυγείων, οι οποίοι θα μπορούσαν κάποια μέρα να οδηγήσουν ή να ψύχουν υπολογιστές ή να χρησιμοποιηθούν σε ηλιακούς συλλέκτες, βιομηχανική και άλλες εφαρμογές. Ήδη, οι ερευνητές αντιλαμβάνονται καλύτερα τι μπορούν να κάνουν οι κβαντικοί κινητήρες. Το 2015, ο Raam Uzdin και οι συνεργάτες του στο Εβραϊκό Πανεπιστήμιο της Ιερουσαλήμ υπολόγισαν ότι οι κβαντικοί κινητήρες μπορούν να ξεπεράσουν τους κλασσικούς κινητήρες. Αυτοί οι πιθανολογικοί κινητήρες εξακολουθούν να ακολουθούν τη φόρμουλα απόδοσης του Carnot όσον αφορά το πόση εργασία μπορούν να αντλήσουν από την ενέργεια που περνά μεταξύ θερμών και ψυχρών σωμάτων. Αλλά μερικές φορές είναι σε θέση να εξαγάγουν το έργο πολύ πιο γρήγορα, δίνοντάς τους περισσότερη δύναμη. Ένας κινητήρας κατασκευασμένος από ένα μόνο ιόν επιδείχθηκε πειραματικά και αναφέρθηκε στο Science τον Απρίλιο του 2016, αν και δεν αξιοποίησε το κβαντικό φαινόμενο ενίσχυσης ισχύος.

Οι Popescu, Oppenheim, Renner και οι κοόρτες τους επιδιώκουν επίσης πιο συγκεκριμένες ανακαλύψεις. Τον Μάρτιο, ο Oppenheim και ο μεταδιδακτορικός ερευνητής του, Lluis Masanes, δημοσίευσαν μια εργασία που εξάγει τον τρίτο νόμο της θερμοδυναμικής - μια ιστορικά συγκεχυμένη δήλωση σχετικά με την αδυναμία επίτευξης της θερμοκρασίας του απόλυτου μηδέν - χρησιμοποιώντας την κβαντική θεωρία πληροφοριών. Έδειξαν ότι το «όριο ταχύτητας ψύξης» που σας εμποδίζει να φτάσετε στο απόλυτο μηδέν προκύπτει από το όριο σχετικά με το πόσο γρήγορα μπορούν να αντληθούν πληροφορίες από τα σωματίδια σε ένα αντικείμενο πεπερασμένου μεγέθους. Το όριο ταχύτητας μπορεί να σχετίζεται με τις δυνατότητες ψύξης των κβαντικών ψυγείων, όπως αυτό που αναφέρθηκε σε μια προεκτύπωση τον Φεβρουάριο. Το 2015, ο Oppenheim και άλλοι συνεργάτες έδειξαν ότι ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής αντικαθίσταται, σε κβαντικές κλίμακες, από μια πληθώρα δεύτερων «νόμων» — περιορισμούς στον τρόπο με τον οποίο εξελίσσονται οι κατανομές πιθανοτήτων που καθορίζουν τις φυσικές καταστάσεις των σωματιδίων, συμπεριλαμβανομένων των κβαντικών μηχανών. /P>

Καθώς το πεδίο της κβαντικής θερμοδυναμικής αναπτύσσεται γρήγορα, γεννώντας μια σειρά από προσεγγίσεις και ευρήματα, ορισμένοι παραδοσιακοί θερμοδυναμικοί βλέπουν ένα χάος. Ο Peter Hänggi, ένας φωνητικός κριτικός στο Πανεπιστήμιο του Άουγκσμπουργκ στη Γερμανία, πιστεύει ότι η σημασία της πληροφορίας υπερπωλείται από τους πρώην επαγγελματίες του κβαντικού υπολογισμού, οι οποίοι, όπως λέει, μπερδεύουν το σύμπαν με έναν τεράστιο κβαντικό επεξεργαστή πληροφοριών αντί για ένα φυσικό πράγμα. Κατηγορεί τους θεωρητικούς της κβαντικής πληροφορίας ότι συγχέουν διαφορετικά είδη εντροπίας - το θερμοδυναμικό και το θεωρητικό της πληροφορίας - και ότι χρησιμοποιούν το τελευταίο σε τομείς όπου δεν ισχύει. Ο δαίμονας του Μάξγουελ «μου ταράζει τα νεύρα», είπε ο Χάνγκι. Όταν ρωτήθηκε για τους δεύτερους «νόμους» της θερμοδυναμικής του Oppenheim και της εταιρείας, είπε, «Βλέπετε γιατί αυξάνεται η αρτηριακή μου πίεση».

Ενώ ο Hänggi θεωρείται πολύ παλιομοδίτικος στην κριτική του (οι θεωρητικοί της κβαντικής πληροφορίας μελετούν τις συνδέσεις μεταξύ της θερμοδυναμικής και της θεωρητικής εντροπίας της πληροφορίας), άλλοι θερμοδυναμικοί είπαν ότι κάνει κάποια έγκυρα σημεία. Για παράδειγμα, όταν οι θεωρητικοί της κβαντικής πληροφορίας επινοούν αφηρημένες κβαντικές μηχανές και βλέπουν αν μπορούν να βγάλουν δουλειά από αυτές, μερικές φορές παρακάμπτουν το ερώτημα πώς ακριβώς εξάγετε έργο από ένα κβαντικό σύστημα, δεδομένου ότι η μέτρησή του καταστρέφει τις ταυτόχρονες κβαντικές πιθανότητες. . Η Anders και οι συνεργάτες της άρχισαν πρόσφατα να ασχολούνται με αυτό το ζήτημα με νέες ιδέες σχετικά με την εξαγωγή και αποθήκευση κβαντικής εργασίας. Αλλά η θεωρητική βιβλιογραφία είναι παντού.

«Πολλά συναρπαστικά πράγματα έχουν πεταχτεί στο τραπέζι, λίγο άτακτα. πρέπει να τα βάλουμε σε τάξη», είπε ο Valerio Scarani, θεωρητικός της κβαντικής πληροφορίας και θερμοδυναμικός στο Εθνικό Πανεπιστήμιο της Σιγκαπούρης, ο οποίος ήταν μέλος της ομάδας που ανέφερε το κβαντικό ψυγείο. «Χρειαζόμαστε λίγη σύνθεση. Πρέπει να καταλάβουμε ότι η ιδέα σας ταιριάζει εκεί. το δικό μου ταιριάζει εδώ. Έχουμε οκτώ ορισμούς της εργασίας. ίσως θα έπρεπε να προσπαθήσουμε να καταλάβουμε ποιος είναι σωστός σε ποια κατάσταση, όχι απλώς να βρούμε έναν ένατο ορισμό της εργασίας."

Ο Oppenheim και ο Popescu συμφωνούν πλήρως με τον Hänggi ότι υπάρχει κίνδυνος υποβάθμισης της σωματικότητας του σύμπαντος. «Είμαι επιφυλακτικός με τους θεωρητικούς της πληροφορίας που πιστεύουν ότι τα πάντα είναι πληροφορίες», είπε ο Oppenheim. «Όταν η ατμομηχανή αναπτυσσόταν και η θερμοδυναμική ήταν σε πλήρη εξέλιξη, υπήρχαν άνθρωποι που υποστήριζαν ότι το σύμπαν ήταν απλώς μια μεγάλη ατμομηχανή». Στην πραγματικότητα, είπε, «είναι πολύ πιο βρώμικο από αυτό». Αυτό που του αρέσει στην κβαντική θερμοδυναμική είναι ότι «έχετε αυτές τις δύο θεμελιώδεις ποσότητες - ενέργεια και κβαντική πληροφορία - και αυτά τα δύο πράγματα συναντώνται μαζί. Αυτό για μένα είναι που την κάνει μια τόσο όμορφη θεωρία.»

Διόρθωση:Αυτό το άρθρο αναθεωρήθηκε στις 5 Μαΐου 2017, για να αντικατοπτρίζει ότι ο Lluis Masanes είναι μεταδιδακτορικός ερευνητής και όχι φοιτητής.