Квантовата механика преодолява втория закон на термодинамиката в атомен мащаб

Ваня Милева Последна промяна на 22 октомври 2025 в 00:00 142 0

Квантовата механика надделява над втория закон на термодинамиката

Кредит Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.adw8462
Квантов двигател с два осцилатора.

Двама физици от университета в Щутгарт са доказали, че принципът на Карно, централен закон на термодинамиката, не се прилага за обекти в атомен мащаб, чиито физически свойства са свързани (т.нар. корелирани обекти). Това откритие би могло например да ускори разработването на малки, енергийно ефективни квантови двигатели.

Двигателите с вътрешно горене и парните турбини са термични двигатели: Те преобразуват топлинната енергия в механично движение – или, с други думи, топлината в движение. През последните години квантово-механичните експерименти успяха да намалят размера на топлинните двигатели до микроскопичен диапазон.

„Малки двигатели, не по-големи от един атом, биха могли да станат реалност в бъдеще“, посочва професор Ерик Луц (Eric Lutz) от Института по теоретична физика I към Университета в Щутгарт. „Сега е очевидно също, че тези двигатели могат да постигнат по-висока максимална ефективност от по-големите топлинни двигатели.“

Професор Луц и д-р Милтън Агилар (Milton Aguilar), постдокторант в Института по теоретична физика I, обясняват причините за това в своята статия, публикувана в Science Advances. В това интервю за Phys.org двамата учени обобщават откритието си.

Какво точно открихте?

Преди почти точно 200 години френският физик Сади Карно определи максималната ефективност на топлинните двигатели. Принципът на Карно, вторият закон на термодинамиката, е разработен за големи, макроскопични обекти. Това се отнася например за парните турбини. Сега обаче успяхме да докажем, че принципът на Карно трябва да бъде разширен, за да опише обекти в атомен мащаб – например силно корелирани молекулярни двигатели.

Защо е така?

Карно демонстрира, че температурната разлика има решаващо влияние: колкото по-голяма е разликата между топло и студено, толкова по-висок е максималният възможен коефициент на полезно действие на топлинния двигател. Принципът на Карно обаче пренебрегва влиянието на така наречените квантови корелации. Това са специални връзки, които се образуват между частици в много малък мащаб.

За първи път изведохме обобщени закони на термодинамиката, които напълно отчитат тези корелации. Нашите резултати показват, че термичните машини, работещи в атомен мащаб, могат да преобразуват не само топлината, но и корелациите в работа. В резултат на това те могат да произведат повече работа – и ефективността на квантовия двигател може да надмине традиционния лимит на Карно.

Какви перспективи открива вашето фундаментално изследване?

Нашата работа задълбочава познанията ни за света на атомно ниво. Колкото по-добре разбираме физичните закони, които се прилагат в тези измерения, толкова по-скоро ще можем да ги използваме за разработване на технологии за утрешния ден – като например малки, високоефективни квантови двигатели, които могат прецизно да изпълняват задачи в наномащаб. Може би един ден такива двигатели ще захранват медицински наноботи или ще контролират машини, които обработват материали на атомно ниво? Потенциалът е изключително разнообразен.

Справка: Milton Aguilar et al, Correlated quantum machines beyond the standard second law, Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.adw8462

Източник: Quantum mechanics trumps the second law of thermodynamics at the atomic scale, Lena Jauernig, University of Stuttgart

Виж още за:
    Най-важното
    Всички новини

    Още от Физика

    Коментари

    За писането на коментар е необходима регистрация.
    Моля, регистрирайте се от TУК!
    Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

    Няма коментари към тази новина !