В 1798 году офицер и физик Бенджамин Томпсон, также известный как граф Румфорд, сделал простое, но революционное наблюдение, наблюдая за сверлением пушечных стволов в Мюнхене. Металл непрерывно нагревался в процессе, что привело его к выводу: тепло – это не физическая субстанция. Вместо этого оно может производиться бесконечно за счёт механического трения. Чтобы проверить эту идею, Румфорд поместил пушечные стволы в воду и замерил, сколько времени потребуется для её закипания. Его измерения показали, что одно лишь движение способно генерировать значительное количество тепла. Подобные эксперименты заложили основу для термодинамики в XIX веке, которая сначала сыграла ключевую роль в Промышленной революции, объясняя, как тепло можно эффективно преобразовывать в полезную работу, например, для привода паровых машин.
Сегодня законы термодинамики составляют фундаментальное знание для учёных. Они гласят, что в замкнутой системе общее количество энергии остаётся неизменным, будь то тепло или работа. Они также описывают энтропию – меру беспорядка, которая со временем никогда не уменьшается. Хотя эти принципы применимы в повседневных ситуациях, проблемы возникают, когда учёные пытаются применить их к чрезвычайно малым системам, управляемым квантовой физикой. На этом масштабе привычные представления о тепле и работе начинают размываться.
Исследователи из Базельского университета под руководством профессора Патрика Поттса разработали новый подход к определению термодинамических величин для некоторых квантовых систем. Их выводы были недавно опубликованы в научном журнале Physical Review Letters. «Проблема с термодинамическим описанием квантовых систем заключается в том, что в таких системах всё микроскопично. Это означает, что различие между работой – полезной макроскопической энергией – и теплом, то есть неупорядоченным микроскопическим движением, перестаёт быть очевидным», – объясняет докторант Аарон Дэниел.
Для изучения этой проблемы команда исследовала резонаторы-полости. Эти системы удерживают лазерный свет между двумя зеркалами, заставляя его многократно отражаться, прежде чем часть света в конечном итоге покинет полость. Лазерный свет отличается от света, производимого лампочками или светодиодами, тем, что его электромагнитные волны движутся идеально синхронно. Когда лазерный свет проходит через полость, заполненную атомами, эта синхронизация, известная как когерентность, может быть нарушена. В результате свет может стать частично или полностью некогерентным, что соответствует неупорядоченному движению частиц. «Когерентность света в такой лазерно-резонаторной системе была отправной точкой наших расчётов», – рассказывает Макс Шраувен, студент бакалавриата, участвовавший в исследовании.
Исследователи начали с прояснения того, что такое «работа» для лазерного света. Один из примеров – способность заряжать так называемую квантовую батарею, для чего требуется когерентный свет, способный коллективно возбуждать атомы. Простым предположением было бы, что входящий когерентный свет выполняет работу, в то время как исходящий свет, потерявший часть когерентности, представляет собой тепло. Однако ситуация оказалась более тонкой. Даже свет, ставший частично некогерентным, всё ещё может выполнять полезную работу, просто менее эффективно, чем полностью когерентный свет. Дэниел и его коллеги исследовали, что происходит, если только когерентная часть выходящего света считается работой, а некогерентная часть – теплом. Благодаря такому определению оба закона термодинамики остаются действительными, что демонстрирует самосогласованность предложенной концепции.
«В будущем наш формализм можно будет использовать для рассмотрения более тонких проблем в квантовой термодинамике», – отмечает Дэниел. Этот подход может оказаться ценным для развивающихся квантовых технологий, включая квантовые сети. Он также может помочь учёным лучше понять, как знакомое классическое поведение возникает из лежащего в основе квантового мира.
