محققان راهی برای نقض قانون دوم ترمودینامیک یافتند!

4

بیش از یک قرن و نیم از حکمرانی قانون دوم ترمودینامیک بر فیزیک می گذرد. جوهره این قانون به مفهوم آشنای انتروپی برمی گردد. این قانون بیان می کند که انتروپی یک سیستم منزوی در طول زمان، همیشه افزایش می یابد. اما حالا دانشمندان راهی برای نقض نقض قانون دوم ترمودینامیک یافته اند. با دیپ لوک همراه باشید…

تاریخچه قانون دوم ترمودینامیک به دهه ۱۸۵۰ برمی گردد. در آن زمان، کلازیوس، مفهوم سیستم های ترمودینامیکی را توسعه داد و دریافت که در هر فرآیند برگشت ناپذیر، میزان اندکی از انرژی تلف می شود و در نهایت به مفهوم انتروپی رسید. از اواسط قرن بیستم، مفهوم انتروپی در مورد نظریه اطلاعات، استفاده شد که نشان می داد در سیستم های انتقال اطلاعات (مشابه با سیستم های ترمودینامیکی)، اتلاف داده، رخ می دهد.

از آنجایی که برخی افراد، انتروپی را مساوی با بی نظمی می دانند، حاکمیت قانون دوم ترمودینامیک را نیز نشانه حرکت کائنات به سمت هرج و مرج بیشتر تفسیر می کنند؛ اما همانطور که قبلا هم اشاره کرده ایم، انتروپی را می توان “عدالت” معنی کرد؛ بنابراین انتروپی بیشتر، به معنای توزیع عادلانه تر انرژی بین اجزای سیستم است. با توجه به اینکه قانون دوم، همیشه افزایش انرژی را طول زمان، مجاز می داند، انتروپی را پیکان زمان یا جهت زمان هم می نامند؛ به این معنا که همیشه حالتی با انتروپی بیشتر، از نظر زمانی، پس از حالتی با انتروپی کمتر رخ ومی دهد. حالا محققان اعلام کرده اند که راهی برای نقض قانون دوم ترمودینامیک در مقیاس میکروسکوپی یافته اند. نتیجه این پژوهش در Nature Scientific Reports منتشر شد.

قانون دوم ترمودینامیک با قضیه اچ (H-theorem)، پی ریزی می شود. فرض کنید دو اتاق سرد و گرم داریم که یک درب بین آنها وجود دارد. قضیه اچ می گوید اگر درب بین دو اتاق را باز کنید، در نهایت به تعادل گرمایی خواهند رسید و اتاق گرم، هیچ گاه، سردتر نخواهد شد. حتی در قرن بیست هم، فهم درست و کاملی از ریشه های فیزیکی قضیه اچ، وجود نداشت. پیشرفت های اخیر در زمینه نظریه اطلاعات کوانتومی، یک ساختار ریاضی را برای موقعیتی که انتروپی، افزایش می یابد، بدست می دهد.

دانشمندان میخواستند بدانند این نظریه های مجرد و زیبا چگونه به واقعیت ارتباط دارند؟ به این منظور، آنها نظریه اطلاعات کوانتومی مبتنی بر سیستم های ریاضی مجرد را به فیزیک حالت جامد، اعمال کردند. فیزیک حالت جامد، زمینه ای است که آزمایش ها و بررسی های زیادی روی آن انجام شده است. این کار به دانشمندان، اجازه می دهد تا نسخه کوانتومی قضیه اچ (قضیه اچ کوانتومی) را فرمول بندی کنند که با مشاهده پذیرهای فیزیکی در ارتباط است. بنابراین قضیه اچ کوانتومی، پلی را بین فرآیندهای فیزیکی و نظریه های  اطلاعات کوانتومی، ایجاد می کند. این پژوهش نشان می دهد که در شرایط معینی، می توانیم قضیه اچ را دور بزنیم. به عبارتی، ممکن است نقض قانون دوم ترمودینامیک، رخ دهد.

جیمز کلارک ماکسول در سال ۱۸۶۷، یک راه فرضی برای نقض قانون دوم ترمودینامیک پیشنهاد داد: شیطان ماکسول! (برای جزییات بیشتر، مقاله “تحقق شیطان ماکسول پس از ۱۴۹ سال و برای اولین بار” را مطالعه کنید). اگرچه نقض قانون دوم ترمودینامیک تنها در مقیاس کوچک، امکان پذیر است، اما پیامدهای آن، بسیار گسترده خواهند بود. مثلا این اصل را می توان در مورد یک یخچال، استفاده کرد. یخچال می تواند از راه دور، سرد شود، یعنی انرژی موردنیاز برای سرد کردن آن می تواند هر جایی باشد! نویسندگان این مقاله، به دنبال همکاری با تیمی از تجربی کاران برای طراحی یک سیستم مفهومی هستند.

دانلود مقاله اصلی به صورت PDF

زاده ی اردیبهشت ۶۹ و دانشجوی دکترای شیمی کوانتوم محاسباتی در دانشگاه شهید بهشتی است.او علاقمند به دنیای کوانتوم، تکنولوژی، فوتبال و موسیقی (رپ/راک) بوده و علاوه بر سردبیری دیپ لوک، به طراحی وب و نویسندگی در گجت نیوز، بیگ تم و ماهنامه GB جی اس ام مشغول است.

گفتگو۴ دیدگاه

  1. با سلام و تشکر از مطالب بسیار خوب.

    ۱٫آیا واقعا در مقیاس کوانتومی قانون دوم ترمودینامیک نقض شده است؟(من مقاله رو به طور گذرا خواندم ولی اشاره ی مستقیم به نقض قانون نیافتم.)یا آیا صرفا احتمالا این داده شده است که قانون دوم نقض میشود؟
    ۲٫امکان تعمیم آن به مقیاس های بزرگتر وجود دارد؟
    ۳٫یک مدل تجربی ساخته شده است؟
    ۴ ایا مکانیک کوانتوم این توانایی را دارد که یکی از قوانین ترمودینامیک را حذف کند؟کوانتوم ساختار متقارن دارد..حال آن که آنتروپی از عدم تقارن بافت فضا زمان میباشد.

ارسال نظر


*