Ученые из Базеля применили законы термодинамики к необычным условиям квантовой физики, где четкое разделение между полезной энергией и случайным движением утрачивает свою определенность.
В конце XVIII века изобретатель Бенджамин Томпсон (граф Румфорд) провел простой, но важный эксперимент. Наблюдая за процессом сверления пушечных стволов в мюнхенской мастерской, он заметил, что металл непрерывно нагревается из-за трения. Таким образом, он пришел к выводу, что тепло не является веществом, а скорее следствием механической работы. Для подтверждения своей гипотезы Румфорд осуществил серию экспериментов, результаты которых стали основой термодинамики, оказавшей значительное влияние на развитие промышленности первой половины XIX века, пишет ScienceDaily.
Законы термодинамики формулируются следующим образом: в закрытой системе сумма тепловой и механической энергий остается постоянной, а степень беспорядка (энтропия) со временем возрастает. Тем не менее, несмотря на справедливость этих законов в макромире, их применение к миру малых масштабов, подчиняющихся законам квантовой физики, сталкивается с трудностями. Понимание четкого различия между энергией, используемой для выполнения работы, и беспорядочным тепловым движением теряет свою актуальность в мире элементарных частиц.
Группа исследователей из Базеля под руководством профессора Патрика Поттса предложила новый взгляд на взаимодействие теплоты и работы в микромасштабах. Применяя уникальные методы анализа поведения света внутри лазерных резонаторов, специалисты пришли к выводу, что традиционное разделение понятий «тепло» и «работа» нуждается в переопределении в квантовом мире. Их основной вывод заключается в следующем: работа, которую обычно понимают как целенаправленное воздействие на систему, тесно связана с состоянием когерентности света, который попадает внутрь лазерного резонатора. Чем дольше такая когерентность сохраняется, тем эффективнее система способна выполнять полезную работу. В противоположность этому, утрата когерентности приводит к выделению тепла.
Таким образом, ученые предлагают рассматривать когерентность света как новую характеристику работы в квантовых процессах. Их выводы подтверждают, что ранее сформулированные законы термодинамики остаются актуальными и в квантовом масштабе, хотя их интерпретация должна учитывать особенности микроявлений.
Фото: hi-tech.mail.ru