На протяжении двух столетий второй закон термодинамики оставался одним из непоколебимых столпов физики. Он утверждает, что никакая тепловая машина не может работать с КПД выше, чем у идеального двигателя Карно — фундаментального предела, установленного ещё в XIX веке. Однако новейшие исследования показывают, что этот закон теряет силу, когда мы спускаемся на уровень квантовой материи.
Учёные из Института теоретической физики I Штутгартского университета представили работу, в которой продемонстрировали: для объектов атомного масштаба традиционные принципы термодинамики нуждаются в пересмотре. Их вычисления и эксперименты показали, что квантовые системы, в которых частицы находятся в состоянии корреляции, могут преобразовывать энергию с эффективностью, превышающей предел Карно. Это открытие, опубликованное в журнале Science Advances, не просто уточняет законы физики — оно радикально расширяет границы возможного в области нанотехнологий и энергетики.
Классическая термодинамика описывает работу тепловых машин — систем, преобразующих тепловую энергию в механическую. Паровые турбины, двигатели внутреннего сгорания и даже современные электростанции следуют тем же принципам: между горячим и холодным резервуаром существует температурная разница, и именно она определяет, сколько энергии можно превратить в полезную работу. Но при переходе на квантовый уровень, где взаимодействуют отдельные атомы и молекулы, привычные представления перестают работать.
Ключ к новому пониманию заключается в квантовых корреляциях. В микромире частицы могут быть связаны между собой так, что изменение состояния одной мгновенно влияет на другую, даже если они разделены в пространстве. Эти связи — основа квантовой запутанности, лежащей в основе квантовых вычислений и телепортации. Теперь оказалось, что они также могут быть источником энергии.
Исследователи показали, что квантовые корреляции способны выступать в роли дополнительного "топлива", увеличивая эффективность квантовых тепловых машин. В отличие от обычных систем, где энергия поступает исключительно от разницы температур, квантовые двигатели могут извлекать работу также из информации, заключённой в коррелированных состояниях частиц. Таким образом, тепло и информация становятся взаимозаменяемыми источниками энергии — идея, которая ещё недавно казалась противоречащей физическим законам.
На практике это открывает путь к созданию принципиально новых типов двигателей. Квантовые термомашины, работающие на уровне нескольких атомов, смогут выполнять операции с беспрецедентной точностью и минимальными потерями. Такие микроскопические устройства могут стать основой нанотехнологий будущего: от медицинских наноботов, доставляющих лекарства прямо к клеткам, до систем управления квантовыми вычислительными процессами и атомного манипулирования материалами.
Ранее считалось, что ограничения второго закона термодинамики универсальны и непреодолимы. Однако новое исследование показывает, что в квантовом мире физика становится гибче: законы сохраняются, но действуют в иной форме. Это не нарушение классических принципов, а их расширение — аналог того, как теория относительности Эйнштейна не отменила механику Ньютона, а лишь уточнила её применимость.
В будущем подобные исследования могут привести к созданию новых стандартов для оценки эффективности энергетических систем и к разработке технологий, работающих на пределе возможностей природы. Квантовые эффекты, долго считавшиеся абстрактной областью фундаментальной науки, постепенно переходят в инженерную практику, открывая перед человечеством путь к устройствам, которые смогут использовать энергию не только материи, но и самой информации.
Работа немецких физиков стала шагом к пониманию того, что термодинамика в квантовом мире — это не строгие ограничения, а динамическая система взаимосвязей между теплом, энергией и информацией. И если когда-то принцип Карно определял предел возможностей паровой машины, то в XXI веке квантовая механика открывает новую страницу — эпоху машин, способных работать за пределами классических законов природы.
А затем «Добавить на главный экран». 