Квантовая термодинамика — фундаментальная и важная теория, детально описывающая процессы теплопереноса в макроскопических квантовых системах (МКС).
Рисунок 1. Принцип дополнительности. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Основным понятием квантовой механики указанного учения является «абсолютная квантово-термодинамическая температура», которая может включать в себя отрицательные и положительные значения.
Впервые определение отрицательной абсолютной температуры было введено еще в начале 1950-х годов выдающимися американскими исследователями И. Парселом, Н. Рамзеем и Р. Паундом для точного описания состояний двухуровневых, нестабильных спин-систем.
Данная физическая величина не ниже абсолютного нуля, а выше бесконечно допустимой температуры. Долгое время полагалось, что такой параметр может пониматься только как некая расчетная функция, и в этом состоит ее принципиальное отличие от термодинамической классической температуры.
Однако в конце 1970-х годов отрицательная абсолютная температура неонового лазера была экспериментально и неоднократно измерена с помощью мощного оптического квантового усилителя, что доказало ее эффективность в работе определенных систем.
Основные принципы квантовой термодинамики
При рассмотрении основ квантовой термодинамики статистической физики необходимо уяснить следующее: для описания физических процессов существует только два способа, которые помогают понять, что происходит в макроскопических телах. Этими методами являются термодинамический и статистический.
На сегодняшний день ученые выделяют такие принципы работы квантовой термодинамики:
- МКС могут выполнять роль резервуаров теплоты — квантовыми термостатами. Квантово-термодинамические равновесные состояния всегда описываются собственными значениями температуры $T$.
- Макроскопические квантовые системы характеризуются волновыми функциями общего состояния. Взаимодействие других двухуровневых концепций образует «идеальный лазер» — универсальную машину, способную находится сразу в нескольких состояниях с различными температурами.
- Энтропия постоянно квантуется. Две МКС могут обмениваться минимальным количеством внутренней энергии, которое равно $E = kT$. Переход из одного собственного состояния в другое возможен только при наличии МКС-холодильника, который постепенно поглощает энтропию квантами. Минимальное значение кванта энтропии будет равно $k$ — постоянной Больцмана.
- Передача тепловой энергии между двумя квантовыми макроскопическими системами происходит при переходе концепции из одного стационарного состояния в иное. «Такая теплопередача от МКС-термостата к МКС-оборудованию или наоборот есть стохастический физический процесс, реализуемый квантово-термодинамическим скачком на конкретной резонансной частоте нагревателя поэтому возможен только благодаря тождественности их изначальных состояний.
- Идеальный лазер можно обратить. Такой механизм способен функционировать в режиме теплового квантового насоса. Абсолютный нуль в этом случае недостижим. В силу существующей неопределенности времени температура МКС стремится к предельно низкой температуре.
Следствия квантовой термодинамики
Рисунок 2. Становление квантовой термодинамики. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Квантовая термодинамика в своем становлении приходит к достаточно парадоксальным выводам. Например, она требует обязательного существования максимально низкой температуры конденсированного элемента, не совпадающего с абсолютным нулем. Для меди предельно низкий показатель температуры равен 10-8 градусов Кельвина. Наличие этой температурной щели фактически обусловлено действием квантовой энтропии.
Минимальная величина энтропии — постоянная величина Больцмана, которая допускает температурную «щель» между абсолютным нулем температур и предельно низкой температурой.
В результате этого наблюдается неравновесный переход через ноль в среду отрицательных температур, реализуемых волнами внутреннее энергии с отрицательной частотой. Основополагающими принципами квантовой термодинамики являются квантово-термодинамические соотношения неопределенностей времени и температуры.
Наиболее вероятное применения квантовой термодинамики заключается в детальном описании состояний различных естественных МКС (например, радиационных поясов Земли и верхних слоев атмосфер планет).
Парадоксы изучаемого направления в физике могут успешно применяться в высоких технологиях: при сжигании природного газа, в теплоэнергетике, при предоставлении безопасности атомных реакторов, при разработке аппаратов с мощными квантовыми теплоносителями, то есть источников квантовых компьютеров, которые осуществляют трансформацию информации в нужное русло.
Квантовая теория против законов термодинамики
Международной команде изобретателей удалось обойти второй закон термодинамики и в прямом смысле обратить время вспять посредством квантовой теории. Второй термодинамический закон предполагает, что в стабильной изолированной системе энтропия увеличивается со временем, и движение тепловой энергии осуществляется от более горячих элементов к более холодным. Однако новый научный эксперимент, проведенный учеными, опровергает данное положение и доказывает, что «стрела времени и пространства» в термодинамике не является абсолютной и верной концепцией.
В рамках последнего исследования физики решили воспользоваться принципами работы коррелированных частиц, концепт которых похож на образующую квантовую запутанность теорию. Исследователи начали свою работу с детального изучения молекулы трихлорметана: они постепенно нагрели ядро атома водорода так, чтобы оно было намного теплее самого ядра атома углерода, и вели наблюдение за током внутренней энергии.
Когда ядра двух веществ находились в некоррелированном и хаотичном состоянии, тепло, согласно второму термодинамическому закону, и в самом деле начинало двигаться от более теплого к более холодному элементу. Однако после очередной корреляции ядер тепло внезапно потекло «назад» — нагретое ядро становилось все горячее, а его более холодный сосед быстро остыл.
По мнению ученых, их эксперимент не нарушает второй закон термодинамики, так как тот изначально не учитывает возможное коррелирование мельчайших частиц. Успешный опыт показывает скорее исключение из устоявшихся в науке правил.
Данный опыт является отличным примером того, что даже в совершенно простых системах окружающего нас пространства могут скрываться тайны, которые человечеству только предстоит разгадать. Каждое научное открытие приводит изобретателей и исследователей к новым вопросам — как точно узнать, не изменятся ли главные основы привычной всем физики через несколько десятков лет.
Поскольку все больше экспериментов и опытов опирается на квантовые вычисления, возможно именно эта сфера математики и физики позволит ученым в ближайшем будущем разгадать самые главные тайны Вселенной — обнаружить и выделить темную материю, подчинить себе пространство и время или даже сформулировать «универсальную формулу бытия», которая смогла объяснить закономерность и совокупность всех процессов, происходящих в нашем мире.
