Физики нашли способ заставить термодинамику работать в квантовом мире
Исследователи разработали новый формализм для определения работы и тепла в квантовых системах, таких как лазерный свет в оптическом резонаторе, что позволяет сохранить справедливость законов термодинамики на микроскопическом уровне
Короткое резюме
Учёные из Базельского университета предложили решение давней проблемы применения классической термодинамики к квантовым системам, где граница между полезной работой (упорядоченной энергией) и теплом (неупорядоченным движением) размыта. Они исследовали систему лазерного резонатора, в котором свет, отражаясь между зеркалами, теряет когерентность. В рамках нового формализма только когерентная часть выходящего света считается совершившей работу (например, зарядившей квантовую батарею), а некогерентная часть трактуется как тепло.
Такой подход позволяет корректно разделить работу и тепло на квантовом уровне и показать, что с этими определениями оба начала термодинамики остаются в силе: энергия сохраняется, а энтропия (мера беспорядка) не убывает. Исследование стало развитием идеи, заложенной ещё графом Румфордом в 1798 году, который доказал, что тепло — не субстанция, а форма энергии, которую можно бесконечно генерировать движением.
Разработанный формализм открывает путь для анализа более сложных задач квантовой термодинамики и может оказаться полезным для развивающихся квантовых технологий, таких как квантовые сети и квантовые батареи. Он также способствует лучшему пониманию того, как привычное классическое поведение макроскопических систем возникает из фундаментальных квантовых законов.
Новое определение работы и тепла в квантовых системах
Предложен формализм, в котором работа ассоциируется с когерентной частью энергии (например, лазерного света), а тепло — с некогерентной, что позволяет сохранить законы термодинамики на микроуровне
Валидация на модели лазерного резонатора
Исследование на примере света в оптическом резонаторе показало, что при таком разделении выполняются как первое (сохранение энергии), так и второе (невозрастание энтропии) начала термодинамики
Преемственность с классической термодинамикой
Работа развивает фундаментальное понимание тепла как формы энергии, а не вещества, восходящее к экспериментам графа Румфорда, и адаптирует его для квантовой эпохи
Прикладное значение для квантовых технологий
Формализм может быть использован для проектирования и анализа квантовых устройств, таких как квантовые батареи и сети, где важно управление когерентностью и энергией
Текст сгенерирован с использованием ИИ
