Drugie prawo termodynamiki złamane?

Grupie japońskich badaczy udało się właśnie dokonać czegoś, co może zburzyć w części dzisiejszą fizykę i doprowadzić do stworzenia perpetuum mobile II rodzaju. Przy użyciu splątania kwantowego udało im się złamać drugą zasadę termodynamiki.

W 1867 roku szkocki fizyk James Clark Maxwell stworzył pewien eksperyment myślowy, który nazwany został demonem Maxwella. Wymyślił on sobie pojemnik z gazem przedzielony na pół ścianą, w której znajdują się drzwiczki przez które cząstki gazu mogą przechodzić na drugą stronę. W początkowej fazie wszystkie te cząstki - zarówno te szybsze (ciepłe) jak i wolniejsze (zimne) - znajdują się po jednej stronie pojemnika, jednak demon obsługujący drzwiczki przepuszcza wszystkie szybkie molekuły, które się do nich zbliżają, na drugą stronę. W efekcie podgrzewa on jedną stronę pojemnika jednocześnie schładzając drugą.

Kilka lat temu Japończycy stworzyli eksperymentalną wersję demona Maxwella, tworząc swego rodzaju przejście, w którym postawiona została bariera pozwalająca atomom przeskakiwać na wyższy poziom, a uniemożliwiająca im spadnięcie na dół.

W efekcie atom powoli wspinał się na górę - bez dodawania do systemu żadnej energii.

Ten eksperyment myślowy i jego realny odpowiednik zdawały się łamać drugie prawo termodynamiki, według którego nie istnieje proces termodynamiczny, którego jedynym wynikiem byłoby pobranie ciepła ze zbiornika o temperaturze niższej i przekazanie go do zbiornika o temperaturze wyższej (na przykład chcąc ogrzać wiaderko zimnej wody musimy dodać do niego energię). Dlatego wydawały się one niemożliwe.

Jednak tak naprawdę nie działo się tu nic wyjątkowego. Współczesna fizyka wie już, że należy wziąć pod uwagę entropię danego systemu - poziom jego nieuporządkowania.

Japończycy dokładnie śledzili przez cały czas pozycję atomu, aby wiedzieć kiedy podnieść i opuścić barierę. Jeśli więc weźmie się pod uwagę ten system monitorujący i generowane przez niego informacje - wszystko nabiera sensu, choć za niezwykłą ciekawostkę można uznać to, że w eksperymencie udało im się przetworzyć informację na energię.

Wtedy też fizycy zaczęli się zastanawiać co się stanie gdy dodatkowo weźmie się pod uwagę kwantowe właściwości materii.

Dlatego też badacze z Uniwersytetów w Tokio i Kioto wymyślili inny teoretyczny eksperyment polegający na stworzeniu dwóch komór zawierających różne cząsteczki, z barierą pomiędzy nimi. Na razie to wygląda niczym klasyczny demon Maxwella. Wyobraźmy sobie jednak, że cząsteczki w jednym pojemniku są z cząsteczkami w pojemniku drugim połączone z pomocą splątania kwantowego - czyli badając jedną cząsteczkę znamy stan w jakim znajduje się druga.

Innymi słowy - uzyskujemy informację za darmo - a skoro, jak dowiódł wcześniejszy eksperyment - potrafimy przekształcić tę informację w energię - splątanie kwantowe daje nam przewagę, której nie przewidziało drugie prawo termodynamiki.

Oznacza to, że prawa termodynamiki zależą nie tylko od zjawisk klasycznych i informacji lecz także od efektów kwantowych. Na razie to wszystko działa tylko (i aż) na papierze i trwa wyścig komu pierwszemu uda się to odtworzyć w prawdziwym świecie.

Źródło: