Otkrivanje Složenosti Drugog Zakona Termodinamike i Kvantne Teorije
Drugi zakon termodinamike stoji kao temelj svih klasičnih stvarnosti. Objašnjava zašto je lakše učiniti stvari nered, zašto ne možemo imati vječni rad, zašto starimo, a možda čak i zašto vrijeme teče samo u jednom smjeru. No, pojavila su se razmatranja o mogućnosti da kvantni svijet izbjegne ograničenja ovog zakona. Nedavne studije pokazuju da je to doista moguće, ali također impliciraju da kvantna mehanika ne mora kršiti ovaj ključni zakon kako bi funkcionirala.
Maxwellov Demon: Ključni Eksperiment
Jedan od najpoznatijih mislenih eksperimenata povezanih s drugim zakonom termodinamike je Maxwellov demon. Zamislite dva odjeljka ispunjena plinom, odvojena malim vratima. Demon ima oštra osjetila i može otkriti energiju molekula. Otvaranjem i zatvaranjem vrata, demon razdvaja hladne i tople dijelove plina, stvarajući sustav s nižom entropijom – što predstavlja nered sustava – i time bi prekršio drugi zakon.
U klasičnom svijetu, stvarni demon ne bi mogao prekršiti drugi zakon. Postoji mehanički rad vrata, kao i informacije u demonovom umu, a sve to doprinosi ukupnoj entropiji. Međutim, pokazalo se da je moguće ostvariti ovo u okviru kvantne mehanike.
Razvoj “Demonijskog Motora”
Timsko istraživanje razvilo je “demonijski motor”, sustav koji može mjeriti ciljni sustav, izvući rad povezivanjem s toplinskim okruženjem, a zatim izbrisati svoje sjećanje koristeći to toplinsko okruženje. Istraživači su očekivali da će otkriti da motor uvijek treba više energije nego što može izvući. Ovaj koncept je kamen temeljac drugog zakona. Međutim, uspjeli su pronaći teorijske iznimke.
Prema voditelju istraživanja Shintaru Minagawi s Univerziteta Nagoya, “Naši rezultati su pokazali da pod određenim uvjetima dopuštenim kvantnom teorijom, čak i uzimajući u obzir sve troškove, izvučeni rad može premašiti utrošeni rad, naizgled kršeći drugi zakon termodinamike.” Ovaj rezultat je bio jednako uzbudljiv koliko i neočekivan, te izaziva pretpostavku da je kvantna teorija inherentno ‘otpornija’ na demone.
Teorijska Rješenja i Harmonija
Iako bi se moglo pomisliti da je istraživanje usmjereno na kršenje drugog zakona termodinamike, važno je napomenuti da se radi o teorijskim postavkama. Tim je utvrdio da postoje mogućnosti da kvantne teorije prekorače granice termodinamike, ali i brojne solucije koje poštuju drugi zakon.
Posebno, ako je protokol sustava kompatibilan s termodinamičkim ponašanjem, bez obzira na kvantnu prirodu, on će poštovati zakon. “Naš rad pokazuje da, unatoč ovim teorijskim ranjivostima, možemo dizajnirati svaki kvantni proces tako da se pokorava drugom zakonu,” objašnjava koautor Hamed Mohammady. Također je naglasio da kvantna teorija može potencijalno prekršiti drugi zakon, ali to zapravo ne mora učiniti.
Zaključak: Povezanost Termodinamike i Kvantne Teorije
Istraživanje koje je provedeno otvorilo je nova vrata razumijevanju odnosa između termodinamike i kvantne teorije. Ova dva područja možda su neovisna, ali su u međusobnom odnosu kada je u pitanju objašnjenje stvarnosti. “Jedna stvar koju pokazujemo u ovom radu jest da je kvantna teorija stvarno logički neovisna o drugom zakonu termodinamike; to jest, može ga prekršiti jer uopće ne ‘zna’ za njega,” dodaje koautor Francesco Buscemi.
Ovakva istraživanja ne samo da obogaćuju naše teorijsko razumijevanje prirode stvarnosti, već bi mogla utjecati i na tehnologije temeljenje na kvantnim teorijama. Pitanja koja se postavljaju oko odnosa između ova dva područja otvorit će put ka daljnjem istraživanju.
