Araştırmacılar 150 yıllık bir termodinamik düşünce deneyinin kuantum ısı motorunun gelişimine etki edebilecek yeni bir kuantum versiyonunu geliştirdiler.
Nottingham Üniversitesi’nden matematikçiler, Gibbs paradoksuna, klasik ve kuantum termodinamiği arasındaki bilgi ve kontrol rollerinin temel farkını kanıtlayan yeni bir kuantum teorisi uyguladılar. Klasik Gibbs Paradoksu erken termodinamiğin gelişiminin çok önemli bir kısmını anlamaya sebep oldu ve araştırmacının sistem üzerindeki kontrol seviyesini göz önünde bulundurma ihtiyacını vurguladı.
Araştırma ekibi önce ayrı tutulan ve sonra tekrar bir araya gelen özdeş olmayan iki kuantum gazını (mavi ve kırmızı gazlar) karıştırmaya dayalı bir deney geliştirdiler. Böylelikle, sistem tek düze olmaya başladı ki bu da entropi (düzensizlik) artışıyla ölçüldü. Eğer gözlemci “mor boyalı” gözlüğünü takıp süreci tekrarlarsa gazlar aynı görünecek ve bu sonuçta entropi değişimi sıfır olacak. Biraz daha yakından bakacak olursak, kapalı bir kutuyu ikiye ayırdığımızı ve ortaya bir duvar koyarak sağ tarafa kırmızı, sol tarafa mavi gazları yerleştirdiğimizi düşünelim, böylelikle duvarı kaldırıp mavi ve kırmızı gazları karıştırdığımız zaman, beklendiği üzere sistemin entropisi (düzensizliği) artacaktır. Her iki tarafa özdeş gazlar (her iki tarafa da aynı renk) koyulup gazlar daha sonra bir araya getirilirse, paradoksa göre entropi değişimi sıfır olacaktır. Ama termodinamiğin ikinci yasasına göre yalıtılmış bir sistem maksimum düzensizliğe sahip olan bir durumu seçer, yani entropi artmak zorundadır. İşte paradoks burada başlar.
Nature Communications’daki araştırmanın yazarları Benjamin Yadin ve Benjamin Moriss “entropi gibi fiziksel niceliklerin onları hesaplayanlardan bağımsız olarak bir anlamı olmalı diye bekliyorduk, bu yüzden bulgularımız tuhaf görünebilir. Paradoksu çözmek için termodinamiğin bize ‘belli kabiliyetleri olan cihazlara sahip olan deneycilerin ne kadar yararlı işler yapabileceğini’ söylediğini anlamalıyız. Örneğin, bir motoru çalıştırmak için ısıtılmış genleşen bir gaz kullanılabilir. Karıştırma sürecinde faydalı bir enerji çıkarmak için kırmızı ve mavi arasındaki farkı gören bir cihaza ihtiyacımız var” açıklamalarında bulunuyor. Araştırmacıların dikkat çektiği gibi, iki özdeş gazın parçacıklarını ayırt edecek bir cihaza ihtiyaç var çünkü kuantum mekaniğine göre parçacıkların yerlerini belirledikten sonra bu parçacıkların dalga fonksiyonları karışacak ve konumlarını tekrar ölçtüğümüz zaman onları ayırt edemeyeceğiz.
Gazları birbirinden ayırt edemeyen deneyci, karıştırma işinden gerekli enerjiyi çıkaramaz. Araştırma gösteriyor ki kuantum durumunda, gazlar arasındaki fark belirlenemese de yine de karıştırma işinden enerji çıkarabilir. Sistem büyüdüğü zaman kuantum davranışının normalde ortadan kalktığı durumu göz önünde bulunduran araştırmacılar, kuantum gözlemcisi sanki gazları klasik bir makroskopik ısı motorundan tamamen ayırt edebilmiş gibi tüm enerjiyi yayabileceğini tespit etti. Bu gazları büyük bir kuantum cihazıyla kontrol etmek, klasik bir makroskopik ısı motorundan tamamen farklı bir davranış gösterecektir. Bu fenomen mevcut olandan daha fazla bilgiyi kodlayan özel süperpozisyon durumlarından kaynaklanmaktadır.
Profesör Gerardo Adesso, “Yüzyıllık bir araştırmaya rağmen kuantum mekaniğinin kalbinde anlayamadığımız ya da bilmediğimiz çok fazla durum var. Umuyoruz ki bu teorik çalışmamız bize filizlenen kuantum termodinamik alanında heyecan verici gelişmeler için ilham olur ve bizi, şu anda süren kuantumla geliştirilmiş teknolojiler için devam eden çabada ileri seviye gelişmeler için harekete geçirebilir” açıklamalarında bulundu.
Süperpozisyon ve dolanıklık gibi gerçek kuantum etkileri ile performansı yükseltilen ve bir ya da birkaç atomla gerçekleştirilen kuantum ısı motorları, günlük ısıtıcılarımızın ve buzdolaplarımızın mikroskobik versiyonlarıdır. Günümüzde, Kuantum Gibbs paradoksunu bir laboratuvarda gerçekleştirildiğini görmek sistem parametrelerinde üzerinde mükemmel bir kontrol sağlayacak. Bu, ince ayarlı “optik kafes” sistemlerinde veya Bose-Einstein yoğuşmalarında mümkün olabilir.
Kaynak: SCIENCE DAILY