น่าเสียดายที่เครื่องยนต์ปีศาจเป็นสมการและไม่ดูเท่ห์ขนาดนี้!
เครดิตรูปภาพ: Agsandrew/New Africa/Shutterstock.com, Eduraw Pro/Pexels; แก้ไขโดย iflscience
กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์เป็นรากฐานของความเป็นจริงแบบคลาสสิกทั้งหมด มันเป็นเหตุผลว่าทำไมจึงง่ายกว่าทำไมคุณไม่สามารถเคลื่อนไหวได้ตลอดเวลาทำไมคุณถึงอายุและบางทีอาจเป็นเพราะเหตุใดเวลาจึงย้ายเข้ามา- มีการพิจารณาว่าโลกควอนตัมอาจหลบหนีข้อ จำกัด ของกฎหมายนี้ งานใหม่แสดงให้เห็นว่าสิ่งนี้เป็นไปได้จริง ๆ แต่ก็ไม่ได้ดูเหมือนว่ากลไกควอนตัมต้องฝ่าฝืนกฎหมายที่สำคัญนี้ในการทำงาน
ตัวอย่างของทีมนักวิทยาศาสตร์ระหว่างประเทศนี้คืออาจเป็นการทดลองทางความคิดที่โด่งดังที่สุดเกี่ยวกับกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ ลองนึกภาพห้องสองห้องที่เต็มไปด้วยแก๊สหารด้วยประตูเล็ก ๆ ปีศาจมีความรู้สึกกระตือรือร้นและสามารถตรวจจับพลังงานของโมเลกุล โดยการเปิดและปิดประตูมันจะแบ่งส่วนที่เย็นและร้อนของก๊าซสร้างระบบที่มีเอนโทรปีที่ต่ำกว่า - ความผิดปกติของระบบ - และนั่นจะทำลายกฎที่สอง
ในโลกคลาสสิกปีศาจที่สมจริงจะไม่ทำลายกฎข้อที่สอง - มีงานเชิงกลของประตูข้อมูลในใจของปีศาจ ฯลฯ ทุกอย่างรวมกันเป็นเอนโทรปีทั้งหมด อย่างไรก็ตามปรากฎว่าเป็นไปได้ที่จะทำลายมัน- ทีมพัฒนา "เครื่องยนต์ปีศาจ" - ระบบที่สามารถวัดระบบเป้าหมายแยกงานโดยการเชื่อมต่อกับสภาพแวดล้อมความร้อนจากนั้นลบหน่วยความจำโดยใช้สภาพแวดล้อมความร้อนนั้น
ทีมคาดหวังว่าพวกเขาจะพบว่าเครื่องยนต์ต้องการพลังงานที่เข้ามามากกว่าสิ่งที่พวกเขาสามารถทำได้ นี่คือรากฐานที่สำคัญของกฎข้อที่สอง แต่พวกเขาสามารถค้นหาข้อยกเว้นทางทฤษฎีได้
“ ผลการศึกษาของเราแสดงให้เห็นว่าภายใต้เงื่อนไขบางประการที่ได้รับอนุญาตจากทฤษฎีควอนตัมแม้หลังจากการบัญชีสำหรับค่าใช้จ่ายทั้งหมดงานที่สกัดสามารถเกินงานที่ใช้ไปดูเหมือนว่าจะละเมิดกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์” นักเขียนนำ Shintaro Minagawa จากมหาวิทยาลัย Nagoya กล่าวคำแถลง- “ การเปิดเผยนี้น่าตื่นเต้นพอ ๆ กับที่คาดไม่ถึงท้าทายสมมติฐานว่าทฤษฎีควอนตัมนั้นเป็น 'การพิสูจน์ปีศาจ' โดยเนื้อแท้ มีมุมที่ซ่อนอยู่ในกรอบที่ปีศาจของ Maxwell ยังคงสามารถใช้เวทมนตร์ได้”
คุณอาจสงสัยว่าทำไมงานของพวกเขาและการวิจัยนี้ไม่ได้เกี่ยวกับการละเมิดกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์หรือนำในยุคควอนตัม- ประการแรกโปรดจำไว้ว่าเรายังคงพูดถึงการตั้งค่าเชิงทฤษฎี!
ทีมพบว่าใช่มีตัวเลือกสำหรับทฤษฎีควอนตัมที่จะแยกออกจากอุณหพลศาสตร์ แต่ยังมีวิธีแก้ปัญหามากมายที่เคารพกฎหมายที่สองแทน โดยเฉพาะอย่างยิ่งหากโปรโตคอลของระบบเข้ากันได้กับพฤติกรรมทางอุณหพลศาสตร์ไม่ว่าจะเป็นควอนตัมธรรมชาติมันจะเชื่อฟังกฎหมาย เป็นไปได้ที่จะสร้างเครื่องยนต์ปีศาจที่ไม่เหมือนเครื่องยนต์ที่คุณคาดหวัง
“ งานของเราแสดงให้เห็นว่าแม้จะมีช่องโหว่ทางทฤษฎีเหล่านี้ แต่ก็เป็นไปได้ที่จะออกแบบกระบวนการควอนตัมใด ๆ เพื่อให้สอดคล้องกับกฎหมายที่สอง” Hamed Mohammady ผู้เขียนร่วมอธิบาย “ กล่าวอีกนัยหนึ่งทฤษฎีควอนตัมอาจทำลายกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ แต่ไม่จำเป็นต้องทำ สิ่งนี้สร้างความสามัคคีที่น่าทึ่งระหว่างกลไกควอนตัมและอุณหพลศาสตร์: พวกเขายังคงเป็นอิสระ แต่ไม่เคยมีพื้นฐานมาก่อน”
งานนี้น่าสนใจอย่างแท้จริงและทฤษฎีควอนตัมอาจเป็นอิสระ แต่เชื่อมโยงกันในการอธิบายความเป็นจริง มันเป็นพื้นที่ที่น่าสนใจของการสำรวจที่อาจส่งผลกระทบต่อทั้งความเข้าใจเชิงทฤษฎีของเราเกี่ยวกับธรรมชาติของความเป็นจริงและเทคโนโลยีตามทฤษฎีควอนตัม
“ สิ่งหนึ่งที่เราแสดงในบทความนี้คือทฤษฎีควอนตัมนั้นเป็นอิสระจากกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ นั่นคือมันสามารถละเมิดกฎหมายได้เพียงเพราะมันไม่ 'รู้' เกี่ยวกับเรื่องนี้เลย” Francesco Buscemi ผู้เขียนร่วมกล่าวเสริม “ และยัง - และนี่เป็นสิ่งที่น่าทึ่ง - กระบวนการควอนตัมใด ๆ สามารถรับรู้ได้โดยไม่ละเมิดกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ สามารถทำได้โดยการเพิ่มระบบเพิ่มเติมจนกว่าจะมีการกู้คืนยอดคงเหลือทางอุณหพลศาสตร์”
การศึกษาถูกตีพิมพ์ในวารสารข้อมูลควอนตัม NPJ-
