Veda na hrane: Nanomotory spochybňujú druhý zákon termodynamiky

Nedávno publikovaná štúdia vyvoláva búrku v oblasti fyziky a otvára nové možnosti pre nanotechnológie. Vedci zistili, že mikroskopické motory pracujúce s jednotlivými atómami môžu potenciálne prekonať Carnotov limit – teoretický strop efektivity tepelných motorov stanovený pred viac ako 150 rokmi. Ako je to možné? Vďaka využitiu kvantových korelácií a prepojení medzi atómami, ktoré klasická termodynamika nevie vysvetliť.

Carnotov limit: Základné princípy

Predstavte si parný stroj – bežný tepelný motor. Funguje tak, že využíva rozdiel teplôt medzi horúcou a studenou nádržou na vykonávanie práce. Sadi Carnot, francúzsky inžinier z 19. storočia, dokázal matematicky vypočítať maximálnu možnú efektivitu takýchto motorov – tzv. Carnotov limit. Tento limit je daný rozdielom medzi teplotami horúcej a studenej nádrže. Žiadny motor nemôže byť 100% efektívny, pretože časť energie sa nevyhnutne stratí ako teplo.

Mikroskopický svet: Atómové motory

Ale čo ak by sme zmenšili motor na atómovú úroveň? Vedci už dávno experimentovali s vytváraním mikroskopických "parných strojov" pomocou jednotlivých atómov. Už v rokoch 2011 a 2016 sa podarilo postaviť takéto motory, hoci ich efektivita bola extrémne nízka (okolo 0,3%). Otázkou bolo, či platia klasické zákony termodynamiky aj v tomto mikroskopickom svete?

Kvantové korelácie a prepojenie atómov

Kľúčom k potenciálnemu prelomeniu Carnotovho limitu sú kvantové korelácie, vrátane javu známeho ako entanglement. Entanglement znamená, že dve alebo viac častíc sú spojené takým spôsobom, že ich stavy sú navzájom prepojené bez ohľadu na vzdialenosť medzi nimi. Vedci zistili, že ak dokážu využiť tieto kvantové prepojenia ako dodatočný zdroj energie, môžu teoreticky prekonať Carnotov limit.

Nový výskum: Efektivita nad očakávaním

Nedávna štúdia vedená profesorom Ericom Lutzom a Dr. Miltonom Aguilera dokázala presne to. Simulácie ukázali, že mikroskopický motor s dvoma oscilátormi (vibrujúcimi atómami) môže dosiahnuť vyššiu efektivitu, ak využije kvantové korelácie medzi nimi. Hoci rozdiel v efektivite oproti Carnotovmu limitu bol len mierny, je to prelomový výsledok, ktorý naznačuje, že kvantová mechanika nám umožňuje ťažiť energiu spôsobmi, ktoré klasická fyzika nevie vysvetliť.

Kľúčové poznatky

• Carnotov limit: Teoretický strop efektivity tepelných motorov stanovený v 19. storočí.
• Atómové motory: Mikroskopické motory pracujúce s jednotlivými atómami, ktoré spochybňujú klasickú termodynamiku.
• Kvantové korelácie: Prepojenie medzi kvantovými časticami, ktoré umožňuje ťažiť energiu nad rámec klasických limitov.
• Nový výskum: Simulácie ukazujú, že mikroskopické motory s využitím kvantových korelácií môžu prekonať Carnotov limit.

Budúcnosť nanotechnológií a kvantovej energie

Tento objav má rozsiahle implikácie pre budúcnosť nanotechnológií. Predstavte si nanoboty poháňané ultraefektívnymi kvantovými motormi, alebo nové typy materiálov spracovávané s presnosťou na atómovej úrovni. Možnosti sú takmer neobmedzené. Hoci je cesta k praktickému využitiu týchto technológií ešte dlhá, tento výskum predstavuje významný krok vpred a otvára dvere do sveta kvantovej energie.

Odporúčania a úvahy

Výsledky tejto štúdie nás nútia prehodnotiť naše chápanie termodynamiky a jej platnosti v mikroskopickom svete. Je jasné, že kvantová mechanika nám ponúka nové možnosti na ťaženie energie a vytváranie nových technológií. Budúcnosť nanotechnológií je sľubná a plná prekvapení.

Zdroje

• Science.org – Challenging the second law of thermodynamics with quantum machines
• Physical Review Letters – Quantum heat engines beyond the Carnot limit
• Wikipedia – Quantum heat engines

Približne 134 gCO₂ bolo uvoľnených do atmosféry a na chladenie sa spotrebovalo 0.67 l vody za účelom vygenerovania tohoto článku.