Cilvēki ir iemācījušies būvēt ļoti jaudīgus iekšdedzes dzinējus, bet viņi nav iemācījušies galveno - būtisku to efektivitātes pieaugumu. Šī ceļa robežu nosaka otrais termodinamikas likums, kas nosaka, ka sistēmas entropija neizbēgami palielinās. Bet vai ir iespējams pārvarēt šo robežu ar kvantu fizikas palīdzību? Izrādījās, ka tas ir iespējams, bet tam bija jāsaprot, ka entropija ir subjektīva, un siltums un darbs ir tālu no vienīgajiem iespējamajiem enerģijas veidiem. Lai iegūtu papildinformāciju par to, kas ir kvantu motori, kā tie ir izvietoti un uz ko tie ir spējīgi, lasiet mūsu materiālā.
Dzinēju aprēķināšanas, projektēšanas un konstruēšanas tehnoloģijas attīstības 300 gadu laikā nav izdevies atrisināt problēmas ar mašīnu izveidi ar augstu efektivitātes koeficientu, lai gan tā ir kritiska daudzās zinātnes un tehnoloģijas jomās.
Kvantu fizika, kas tika atklāta 20. gadsimta sākumā, jau ir iesniegusi daudzus pārsteigumus tehnoloģiju pasaulē: atomu teorija, pusvadītāji, lāzeri un, visbeidzot, kvantu datori. Šie atklājumi ir balstīti uz subatomisko daļiņu neparastajām īpašībām, proti, kvantu korelācijām starp tām - tīri kvantu informācijas apmaiņas veidam.
Un šķiet, ka kvantu fizika ir gatava mūs atkal pārsteigt: gadu kvantu termodinamikas attīstības gadi ļāva fiziķiem parādīt, ka kvantu siltumdzinējiem var būt augsta efektivitāte mazos mērogos, nepieejami klasiskajām mašīnām.
Apskatīsim, kas ir kvantu termodinamika, kā darbojas siltumdzinēji, kādus uzlabojumus sniedz kvantu fizika un kas jādara, lai izveidotu efektīvu nākotnes motoru.
Klasiski siltuma dzinēji
28 gadus vecais franču inženieris Sadi Karnots savā 1824. gada grāmatā “Pārdomas par uguns motīvu” izdomāja, kā tvaika dzinēji var efektīvi pārveidot siltumu darbā, kas liek virzuli virzīt vai griezt riteni.
Reklāmas video:
Par Karnota pārsteigumu, ideāla motora efektivitāte bija atkarīga tikai no temperatūras starpības starp motora siltuma avotu (sildītāju, parasti uguni) un siltuma izlietni (ledusskapis, parasti apkārtējais gaiss).
Karnota saprata, ka darbs ir siltuma dabiskas pārejas no karsta ķermeņa uz aukstu ķermeni blakusprodukts.
Siltuma motora darba shēma.
Siltuma dzinējos izmanto šādu ciklu. Siltumu Q 1 no sildītāja ar temperatūru t 1 piegādā darba šķidrumam, daļu no siltuma Q 2 izvada ledusskapī ar temperatūru t 2, t 1> t 2.
Siltumdzinēja paveiktais darbs ir vienāds ar starpību starp piegādāto un noņemto siltumu: A = Q 1 - Q 2, un efektivitāte η būs vienāda ar η = A / Q 1.
Karnots parādīja, ka jebkura siltumdzinēja efektivitāte nevar pārsniegt ideāla siltumdzinēja efektivitāti, kas darbojas tā ciklā ar vienādu sildītāja un ledusskapja temperatūru ηCarnot = (t 1 - t 2) / t 1. Efektīva siltumdzinēja izveidošana ir maksimālā tuvināšana reālajam. Efektivitāte η līdz ideālai ηCarnot.
Sadi Karnots pēc holēras nomira astoņus gadus vēlāk - pirms viņš varēja redzēt, kā jau 19. gadsimtā viņa efektivitātes formula pārvērtās par klasiskās termodinamikas teoriju - universālu likumu kopumu, kas attiecas uz temperatūru, siltumu, darbu, enerģiju un entropiju.
Klasiskā termodinamika apraksta sistēmu statistiskās īpašības, reducējot mikroparametrus, piemēram, daļiņu novietojumu un ātrumu, līdz makroparametriem: temperatūru, spiedienu un tilpumu. Termodinamikas likumi izrādījās piemērojami ne tikai tvaika mašīnām, bet arī Saulei, melnajiem caurumiem, dzīvām lietām un visam Visumam.
Šī teorija ir tik vienkārša un vispārīga, ka Alberts Einšteins uzskatīja, ka tā "nekad netiks gāzta". Tomēr jau no paša sākuma termodinamika ieņēma ārkārtīgi dīvainu stāvokli starp citām Visuma teorijām.
“Ja fizikālās teorijas būtu cilvēciskas, termodinamika būtu ciemata ragana,” pirms dažiem gadiem rakstīja fiziķe Lidija del Rio. "Citas teorijas viņai šķiet dīvainas, atšķirīgas no pārējām, taču visi nāk pie viņas pēc padoma, un neviens neuzdrošinās viņai pretrunās."
Termodinamika nekad nav apgalvojusi, ka tā ir universāla metode apkārtējās pasaules analīzei, drīzāk tas ir veids, kā efektīvi izmantot šo pasauli.
Termodinamika stāsta mums, kā maksimāli izmantot resursus, piemēram, karstu gāzi vai magnetizētu metālu, lai sasniegtu noteiktus mērķus - vilciena pārvietošanu vai cietā diska formatēšanu.
Tās daudzpusība rodas tāpēc, ka tā nemēģina izprast atsevišķu sistēmu mikroskopiskās detaļas, bet rūpējas tikai par to, kuras operācijas šajās sistēmās ir viegli izpildāmas un kuras - sarežģītas.
Šī pieeja zinātniekiem var šķist dīvaina, taču to aktīvi izmanto fizikā, datorzinātnēs, ekonomikā, matemātikā un daudzās citās vietās.
Viena no dīvainākajām teorijas iezīmēm ir tās noteikumu subjektivitāte. Piemēram, gāzei, kas sastāv no daļiņām ar vidējo temperatūru, tuvāk pārbaudot, ir mikroskopiskas temperatūras atšķirības.
Pēdējos gados ir radusies revolucionāra termodinamikas izpratne, izskaidrojot šo subjektivitāti ar kvantu informācijas teorijas palīdzību, kas apraksta informācijas izplatīšanos caur kvantu sistēmām.
Tāpat kā termodinamika sākotnēji izauga no mēģinājumiem uzlabot tvaika dzinējus, mūsdienu termodinamika apraksta jau kvantu mašīnu - kontrolētu nanodaļiņu - darbību.
Lai iegūtu pareizu aprakstu, mēs esam spiesti paplašināt termodinamiku līdz kvantu reģionam, kur tādi jēdzieni kā temperatūra un darbs zaudē parasto nozīmi, un klasiskās mehānikas likumi vairs nedarbojas.
Kvantu termodinamika
Kvantu termodinamikas dzimšana
Slavenais fiziķis Džeimss Klarks Maksvels 1867. gada vēstulē savam Skotijas kolēģim Pēterim Tatei formulēja slaveno paradoksu, norādot uz saistību starp termodinamiku un informāciju.
Paradokss attiecās uz otro termodinamikas likumu - noteikumu, ka entropija vienmēr palielinās. Kā vēlāk atzīmēja sers Artūrs Eddingtons, šis noteikums "ieņem dominējošo stāvokli starp dabas likumiem".
Saskaņā ar otro likumu enerģija kļūst nekārtīgāka un mazāk noderīga, jo tā pārvietojas no karstiem uz aukstiem ķermeņiem un temperatūras atšķirības samazinās.
Un kā mēs atceramies no Karnotas atklājumiem, karstam un aukstam ķermenim ir nepieciešams veikt noderīgu darbu. Ugunsgrēki izdziest, rīta kafijas tases atdziest, un Visums steidzas uz vienmērīgas temperatūras stāvokli, ko sauc par Visuma karstuma nāvi.
Lielais austriešu fiziķis Ludvigs Boltzmans parādīja, ka entropijas palielināšanās ir parasto matemātiskās statistikas likumu sekas: ir daudz vairāk veidu, kā vienmērīgi sadalīt enerģiju starp daļiņām, nevis tā vietējai koncentrācijai. Kad daļiņas pārvietojas, tām dabiski ir tendence uz augstākiem entropijas stāvokļiem.
Bet Maksvela vēstulē aprakstīts domu eksperiments, kurā kāda apgaismota būtne - vēlāk saukta par Maksvela dēmonu - izmanto savas zināšanas, lai samazinātu entropiju un pārkāptu otro likumu.
Visvarenais dēmons zina katras molekulas atrašanās vietu un ātrumu gāzes traukā. Sadalot trauku divās daļās un atverot un aizverot mazās durvis starp abām kamerām, dēmons ļauj tikai ātras molekulas vienā virzienā un tikai lēnas otrā virzienā.
Dēmona rīcība sadala gāzi karstā un aukstā, koncentrējot enerģiju un samazinot kopējo entropiju. Vienreiz bezjēdzīgu gāzi ar noteiktu vidējo temperatūru tagad var izmantot siltuma dzinējā.
Daudzus gadus Maksvels un citi brīnījās, kā dabas likums var būt atkarīgs no tā, vai zināt vai nezināt molekulu stāvokli un ātrumu. Ja otrais termodinamikas likums ir subjektīvi atkarīgs no šīs informācijas, tad kā tā var būt absolūta patiesība?
Termodinamikas saistība ar informāciju
Gadsimtu vēlāk amerikāņu fiziķis Čārlzs Bennetts, balstoties uz Leo Szilarda un Rolfa Landauera darbu, atrisināja paradoksu, formāli sasaistot termodinamiku ar informācijas zinātni. Bennetts apgalvoja, ka dēmona zināšanas tiek glabātas viņa atmiņā, un atmiņa ir jānotīra, un tas prasa darbu.
1961. gadā Landauers aprēķināja, ka istabas temperatūrā datoram ir nepieciešami vismaz 2,9 x 10–21 džouli, lai izdzēstu vienu glabātās informācijas bitu. Citiem vārdiem sakot, kad dēmons atdala karstās un aukstās molekulas, samazinot gāzes entropiju, viņa apziņa patērē enerģiju, un gāzes + dēmonu sistēmas kopējā entropija palielinās, nepārkāpjot otro termodinamikas likumu.
Pētījumi liecina, ka informācija ir fizisks daudzums - jo vairāk informācijas ir, jo vairāk darba varat iegūt. Maksvela dēmons rada darbu no gāzes vienā temperatūrā, jo viņam ir daudz vairāk informācijas nekā parastam novērotājam.
Pagāja vēl pusgadsimts un kvantu informācijas teorijas ziedonis - lauks, kas radies pēc kvantu datora sasniegšanas, lai fiziķi sīki izpētītu Bennett idejas iespaidīgās sekas.
Pēdējo desmit gadu laikā fiziķi ir pieņēmuši, ka enerģija pārvietojas no karstajiem objektiem uz aukstajiem objektiem, pateicoties noteiktam informācijas izplatīšanas veidam starp daļiņām.
Saskaņā ar kvantu teoriju daļiņu fizikālās īpašības ir varbūtīgas, un daļiņas var būt stāvokļu superpozīcijā. Mijiedarbojoties, viņi kļūst sapinušies, apvienojot varbūtību sadalījumus, kas raksturo viņu stāvokļus.
Kvantu teorijas centrālā pozīcija ir apgalvojums, ka informācija nekad netiek zaudēta, tas ir, Visuma pašreizējais stāvoklis saglabā visu informāciju par pagātni. Tomēr laika gaitā, daļiņām savstarpēji mijiedarbojoties un arvien vairāk iepūšoties, informācija par to atsevišķajiem stāvokļiem tiek sajaukta un izplatīta arvien vairāk daļiņu.
Kafijas tasīte atdziest līdz istabas temperatūrai, jo, kad kafijas molekulas saduras ar gaisa molekulām, informācija, kas kodē kafijas enerģiju, izplūst, tiek nosūtīta uz apkārtējo gaisu un tajā tiek zaudēta.
Tomēr izpratne par entropiju kā subjektīvu mēru ļauj Visumam kopumā attīstīties, nezaudējot informāciju. Pat tad, kad Visuma daļu, piemēram, gāzes daļiņu, kafijas, N + 1 lasītāju entropija pieaug, jo to kvantu informācija tiek zaudēta Visumā, Visuma globālā entropija vienmēr paliek nulle.
Kvantu siltuma dzinēji
Kā tagad, izmantojot dziļāku kvantu termodinamikas izpratni, izveidot siltuma dzinēju?
2012. gadā tika izveidots Eiropas Kvantu termodinamikas tehnoloģiskais pētniecības centrs, un tajā šobrīd strādā vairāk nekā 300 zinātnieku un inženieru.
Centra komanda cer izpētīt likumus, kas regulē kvantu pārejas kvantu motoros un ledusskapjos, kas kādreiz varētu atdzesēt datorus vai tikt izmantoti saules paneļos, bioinženierijā un citās lietojumprogrammās.
Pētnieki jau daudz labāk nekā iepriekš saprot, uz ko kvantu motori ir spējīgi.
Siltuma dzinējs ir ierīce, kas darba ieguvei izmanto kvantu darba šķidrumu un divus rezervuārus dažādās temperatūrās (sildītājs un dzesētājs). Darbs ir enerģijas pārnešana no motora uz kādu ārēju mehānismu, nemainot mehānisma entropiju.
No otras puses, siltums ir enerģijas apmaiņa starp darba šķidrumu un rezervuāru, kas maina rezervuāra entropiju. Ar vāju savienojumu starp rezervuāru un darba šķidrumu siltums ir saistīts ar temperatūru un to var izteikt kā dQ = TdS, kur dS ir rezervuāra entropijas izmaiņas.
Elementārā kvantu siltuma motorā darba šķidrums sastāv no vienas daļiņas. Šāds motors atbilst otrajam likumam, tāpēc to ierobežo arī Carnot efektivitātes ierobežojums.
Kad darba vide nonāk saskarē ar rezervuāru, darba vidē mainās enerģijas līmenis. Rezervuāra raksturīgā īpašība ir tā spēja sasniegt darba šķidrumu līdz noteiktai temperatūrai neatkarīgi no sākotnējā ķermeņa stāvokļa.
Šajā gadījumā temperatūra ir sistēmas kvantu stāvokļa parametrs, nevis makroparametrs, kā tas ir klasiskajā termodinamikā: par temperatūru var runāt kā par enerģijas līmeņu kopumu.
Enerģijas apmaiņas procesā ar rezervuāru ķermenis apmainās arī ar entropiju, tāpēc enerģijas apmaiņa šajā posmā tiek uzskatīta par siltuma pārnesi.
Piemēram, apsveriet kvantu Otto ciklu, kurā divlīmeņu sistēma darbosies kā darba šķidrums. Šādā sistēmā ir divi enerģijas līmeņi, no kuriem katrs var būt apdzīvots; zemes līmeņa enerģijai jābūt E 1 un uzbudinātajai E 2. Otto cikls sastāv no 4 posmiem:
I. Attālums starp līmeņiem E 1 un E 2 palielinās un kļūst par Δ 1 = E 1 - E 2.
II. Ir kontakts ar sildītāju, sistēma uzkarst, tas ir, tiek apdzīvots augšējais enerģijas līmenis un mainās darba šķidruma entropija. Šī mijiedarbība ilgst laiku τ 1.
III. Starp līmeņiem E 1 un E 2 notiek saspiešana, tas ir, notiek darbs pie sistēmas, tagad attālumi starp līmeņiem ir Δ 2 = E 1 - E 2.
IV. Ķermenis tiek kontaktēts ar ledusskapi uz laiku τ 2, kas dod tai iespēju atpūsties, iztukšot augšējo līmeni. Zemākais līmenis tagad ir pilnībā apdzīvots.
Šeit mēs neko nevaram teikt par darba šķidruma temperatūru, ir nozīme tikai sildītāja un ledusskapja temperatūrai. Perfektu darbu var uzrakstīt šādi:
dW = (p 0 (τ 1) - p 1 (τ 2)) (Δ 1 - Δ 2), (1)
kur p 0 (1) ir varbūtība, ka darba šķidrums atradās zemē (ierosinātā stāvoklī). Šī kvantu četrtaktu motora efektivitāte ir η = 1 - Δ 1 / Δ 2.
Otto cikls divlīmeņu sistēmā.
Piemēram, ir iespējams uzbūvēt kvantu motoru, kurā supravadoša kvadrāts spēlē darba šķidruma lomu, un kā sildītājs un ledusskapis tiek izmantoti divi normāli rezistori ar atšķirīgu pretestību.
Šie rezistori rada troksni, kam ir raksturīga temperatūra: liels troksnis - sildītājs, mazs - ledusskapis.
Šāda motora pareiza darbība tika parādīta Somijas Aalto universitātes zinātnieku darbā.
Īstenojot Otto ciklu, atšķirību starp enerģijas līmeņiem var modulēt ar pastāvīgu magnētisko plūsmu, tas ir, "izspiest" vai "paplašināt" līmeņus, un mijiedarbības ieslēgšana ar rezervuāriem tika lieliski iegūta ar īsiem mikroviļņu signāliem.
2015. gadā Jeruzalemes ebreju universitātes zinātnieki aprēķināja, ka šādi kvantu motori varētu pārspēt klasiskos kolēģus.
Šie varbūtības pakāpes motori joprojām atbilst Karnota efektivitātes formulai attiecībā uz to, cik daudz darba viņi var iegūt no enerģijas, kas iet starp karstajiem un aukstajiem ķermeņiem. Bet viņi spēj darbu iegūt daudz ātrāk.
Vien jonu motors tika eksperimentāli demonstrēts un prezentēts 2016. gadā, lai gan jaudas pastiprināšanai tas neizmantoja kvantu efektus.
Nesen tika uzbūvēts kvantu siltuma dzinējs, kura pamatā ir kodolmagnētiskā rezonanse, kura efektivitāte bija ļoti tuvu ideālajam ηCarnot.
Kvantu siltuma dzinējus var izmantot arī lielu un mikroskopisku sistēmu, piemēram, kvantu, atdzesēšanai.
Mikrosistēmas atdzesēšana nozīmē populācijas samazināšanos ierosinātajā līmenī un entropijas samazināšanos. To var izdarīt ar tiem pašiem termodinamiskajiem cikliem, kuros iesaistīts sildītājs un ledusskapis, bet darbojas pretējā virzienā.
2017. gada martā tika publicēts raksts, kurā, izmantojot kvantu informācijas teoriju, tika iegūts trešais termodinamikas likums - paziņojums, ka nav iespējams sasniegt absolūtu nulles temperatūru.
Raksta autori parādīja, ka dzesēšanas ātruma ierobežojums, kas neļauj sasniegt absolūto nulli, izriet no ierobežojumiem, cik ātri informāciju var izsūknēt no daļiņām ierobežota izmēra objektā.
Ātruma ierobežojumam ir daudz sakara ar kvantu ledusskapju dzesēšanas iespējām.
Kvantu motoru nākotne
Drīz mēs redzēsim kvantu tehnoloģiju ziedojumu, un tad kvantu siltuma motori var daudz palīdzēt.
Neveiksmīgi darbosies virtuves ledusskapī, lai atdzesētu mikrosistēmas neparastas darbības dēļ - vidēji temperatūra tajā ir zema, bet vietēji tā var sasniegt nepieņemamas vērtības.
Sakarā ar kvantu termodinamikas ciešo saistību ar informāciju, mēs spējam izmantot savas zināšanas (informāciju), lai veiktu vietējo darbu - piemēram, lai ieviestu kvantu dēmonu Maksvelu, izmantojot daudzlīmeņu sistēmas, lai kvantu datorā atdzesētu (attīrītu stāvokli) kvotas.
Kas attiecas uz kvantu motoriem plašākā mērogā, vēl ir pāragri apgalvot, ka šāds motors aizstās iekšdedzes dzinēju. Līdz šim viena atoma dzinējiem ir pārāk zema efektivitāte.
Tomēr ir intuitīvi skaidrs, ka, izmantojot makroskopisku sistēmu ar daudzām brīvības pakāpēm, mēs varēsim iegūt tikai nelielu daļu no noderīgā darba, jo šādu sistēmu var kontrolēt tikai vidēji. Kvantu motoru koncepcijā ir iespējams efektīvāk kontrolēt sistēmas.
Patlaban nanomēroga siltuma dzinēju zinātnē ir daudz teorētisku un inženierijas jautājumu. Piemēram, liela problēma ir kvantu svārstības, kas var radīt "kvantu berzi", ieviešot papildu entropiju un samazinot motora efektivitāti.
Fiziķi un inženieri tagad aktīvi strādā, lai optimāli kontrolētu kvantu darba šķidrumu un izveidotu nanosildītāju un nanooulētāju. Agrāk vai vēlāk kvantu fizika mums palīdzēs izveidot jaunu noderīgu ierīču klasi.
Mihails Perelšteins
