A tanulmány a fentieknek megfelelően tehát új megvilágításba helyezi a termodinamika és a kvantummechanika bonyolult kapcsolatát. Míg ugyanis az entrópia – vagyis a rendezetlenség mértéke – a klasszikus fizikában jól ismert fogalom, a kvantumrendszerekben betöltött szerepe messze nem ennyire letisztázott.

„A második főtétel a tudomány egyik legalapvetőbb törvénye, mégis számos kérdést vet fel”

– magyarázzák a kutatók. Az egyik legfontosabb ilyen kérdés a Maxwell démona néven ismert gondolatkísérlet, amelyet James Clerk Maxwell vetett fel 1867-ben.

A termodinamika második főtétele szerint egy zárt rendszer entrópiája mindig növekszik az idő előrehaladtával, vagyis az energia egyre inkább szétszóródik, és így egyre kevésbé hasznosítható. Maxwell azonban elképzelt egy apró „démont”, amely egy csapóajtót működtet a két kamrában lévő gázmolekulák között. Ha ez a démon kizárólag a gyorsabb (melegebb) molekulákat engedi át az egyik irányba, míg a lassabbakat (hidegebbeket) a másikba, akkor külső energia befektetése nélkül is létrehozhat hőmérséklet-különbséget. Ez első ránézésre sérti a második főtételt, hiszen így hasznos munkát lehetne kinyerni az entrópia növekedése nélkül.

Ez a paradoxon több mint egy évszázadon át tartó vitákat eredményezett arról, hogy a második főtétel valóban annyira univerzális törvény-e, mint azt hisszük.

A kvantummechanika bizonyos jelenségei, például a szuperpozíció – amikor egy részecske egyszerre több állapotban is létezhet – szintén megkérdőjelezik a második főtételt. Egyes kutatók szerint éppen ezért a kvantumrendszerekben az entrópia nem feltétlenül növekszik minden esetben. Mások viszont úgy vélik, hogy ha egy adott helyen az entrópia csökken, akkor egy másik területen szükségszerűen növekednie kell, így összességében a termodinamikai egyensúly fennmarad.

A fenti jelenségek jobb megértése érdekében a kutatók egy háromlépcsős matematikai modellt dolgoztak ki. Ebben egy kvantum „démon” először megméri a rendszer állapotát, így információt szerez róla, majd ezt felhasználva irányítottan energiát nyer ki belőle. Végül a démon – a környezettel való kölcsönhatás következtében – elveszíti az információt, vagyis mintegy „elfelejti” a korábbi méréseit. A folyamat során az energiaváltozásokat a Neumann-entrópia segítségével számították ki, amely a kvantummechanikában az információ és a rendezetlenség kapcsolatát írja le, hasonlóan a klasszikus termodinamikai entrópiához.

„Eredményeink azt mutatják, hogy bizonyos kvantumfeltételek mellett a kinyerhető munka meghaladhatja a befektetett energiát, ami látszólag sérti a második főtételt”

– mondta Shintaro Minagawa, a tanulmány vezető szerzője.

Ugyanakkor a modell arra is rámutat, hogy a kvantumrendszerek olyan módon is kialakíthatók, amely biztosítja a termodinamika szabályainak betartását, így végül a kvantummechanika és a termodinamika harmonikusan működtethető együtt.

(Pixabay/Carmi62)