Datum: 23. prosince 2025
Zdroj: Univerzita v Basileji
Souhrn: Před více než 200 lety ukázal hrabě Rumford, že teplo není záhadná látka, ale něco, co lze nekonečně generovat pohybem. Tento vhled položil základy termodynamiky, pravidel řídících energii, práci a nepořádek. Nyní vědci na Univerzitě v Basileji posouvají tato pravidla do podivného světa kvantové fyziky, kde se rozdíl mezi užitečnou energií a náhodným pohybem stává nejasným.
Historie termodynamiky
V roce 1798 učinil důstojník a fyzik Benjamin Thompson, známý jako hrabě Rumford, při sledování vrtání děl v Mnichově jednoduché, ale zásadní pozorování. Kov během procesu neustále zahříval, což ho přivedlo k závěru, že teplo není fyzická látka. Místo toho je možné je produkovat nekonečně prostřednictvím mechanického tření.
Aby tuto myšlenku otestoval, umístil Rumford dělové hlavně do vody a měřil, jak dlouho trvá, než se voda uvaří. Jeho měření ukázala, že samotný pohyb dokáže generovat velké množství tepla. Takovéto experimenty položily základy termodynamiky v 19. století. Tento nový obor měl klíčovou roli během průmyslové revoluce, když vysvětlil, jak lze efektivně převádět teplo na užitečnou práci, například při pohonu parních strojů.
Základní zákony energie a nepořádku
Dnes jsou zákony termodynamiky základem znalostí pro vědce. Tyto zákony říkají, že v uzavřeném systému zůstává celkové množství energie stejné, ať už se projevuje jako teplo nebo práce. Také popisují entropii, měřítko nepořádku, které v čase nikdy neklesá. I když tyto principy platí v běžných situacích, problémy se objevují, když se je vědci snaží aplikovat na extrémně malé systémy, kterými se řídí kvantová fyzika. Na této úrovni se známé pojmy o teple a práci začínají rozmazávat.
Kvantová výzva pro klasickou fyziku
Vědci z Univerzity v Basileji, vedení profesorem Patrickem Pottem, vyvinuli nový přístup k definování termodynamických veličin pro určité kvantové systémy. Jejich zjištění byla nedávno publikována v vědeckém časopise Physical Review Letters.
"Problém, který máme s termodynamickým popisem kvantových systémů, spočívá v tom, že v těchto systémech je všechno mikroskopické. To znamená, že rozlišování mezi prací, což je užitečná makroskopická energie, a teplem, nebo neuspořádaným mikroskopickým pohybem, již není tak jasné," vysvětluje doktorand Aaron Daniel.
Laserové světlo v dutině
Aby tento problém prozkoumali, tým studoval rezonanční dutiny. Tyto systémy zachycují laserové světlo mezi dvěma zrcadly, což způsobuje, že se světlo odráží tam a zpět, než část z něj nakonec unikne.
Laserové světlo se odlišuje od světla produkovaného žárovkami nebo LED, protože jeho elektromagnetické vlny se pohybují v dokonalé synchronizaci. Když laserové světlo prochází dutinou naplněnou atomy, může být tato synchronizace, známá jako koherence, narušena. V důsledku toho může být světlo částečně nebo zcela nekoherentní (což odpovídá neuspořádanému pohybu částic). "Koherence světla v takovém systému s laserovou dutinou byla výchozím bodem našich výpočtů," říká Max Schrauwen, student bakalářského programu zapojený do studie.
Práce s koherencí
Vědci začali tím, že objasnili, co znamená „práce“ pro laserové světlo. Jedním z příkladů je schopnost nabíjet tzv. kvantovou baterii, což vyžaduje koherentní světlo, které může společně vyzvednout atomy do excitovaného stavu. Jednoduchý předpoklad by byl, že přicházející koherentní světlo vykonává práci, zatímco vystupující světlo, které ztratilo část koherence, představuje teplo.
Ale situace je složitější. Dokonce i světlo, které se stalo částečně nekoherentním, může stále vykonávat užitečnou práci, i když méně efektivně než plně koherentní světlo. Daniel a jeho kolegové zkoumali, co se stane, pokud se jako práce počítá pouze koherentní část vycházejícího světla, zatímco nekoherentní část je považována za teplo. S touto definicí zůstávají v platnosti oba zákony termodynamiky, což ukazuje, že rámec je sebe-konzistentní.
Dopady na kvantové technologie
"V budoucnu můžeme náš formalismus použít k řešení jemnějších problémů v kvantové termodynamice," říká Daniel. Tento přístup by mohl být cenný pro nové kvantové technologie, včetně kvantových sítí. Může také vědcům pomoci lépe pochopit, jak známé klasické chování vzniká z podkladového kvantového světa.
Odkaz na článek: Max Schrauwen, Aaron Daniel, Marcelo Janovitch, Patrick P. Potts. Termodynamický rámec pro koherentně řízené systémy. Physical Review Letters, 2025; 135 (22) DOI: 10.1103/zdbv-rksc
