การใช้งานจริงในอนาคตของงานนี้จะขึ้นอยู่กับความเข้าใจว่าหลักการทางอุณหพลศาสตร์พื้นฐานทำงานอย่างไรในเครื่องชั่งขนาดเล็กพิเศษJonathan Oppenheim นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีควอนตัมจาก University College London กล่าว มันย้อนกลับไปที่สถิติ หากเหรียญหลายล้านล้านล้านล้านล้านล้านในเครื่องยนต์ไอน้ำแสดงแทนด้วยเหรียญจำนวนมาก ผลของการพลิกเหรียญทั้งหมดจะเป็นส่วนผสมที่เหมือนกันของหัวและหาง เทียบเท่ากับอุณหภูมิคงที่และเอนโทรปีสูงสุด นั่นเป็นเหตุผลที่เครื่องยนต์ไอน้ำปฏิบัติตามกฎเสมอ แต่พลิกเหรียญขนาดเล็กสามเหรียญภายในเครื่องยนต์ควอนตัมขนาดเล็ก และทั้งสามสามารถตกลงบนหัวได้อย่างง่ายดาย ราวกับว่าโมเลกุลที่รวดเร็วทั้งหมดอยู่ในช่องหนึ่งแทนที่จะผสมกับอีกช่องหนึ่ง ซึ่งเป็นการละเมิดกฎข้อที่สอง
การทดลองในช่วงหลายปีที่ผ่านมาได้เสนอแนะว่าหากกฎ
ข้อที่สองของเทอร์โมไดนามิกส์แตกออกเป็นขนาดเล็ก การละเมิดก็ไม่รุนแรงมาก ปีที่แล้ว Oppenheim และเพื่อนร่วมงานได้เจาะจงมากขึ้น โดยเผยแพร่บทวิเคราะห์โดยละเอียดในProceedings of the National Academy of Sciences ผลลัพธ์ของพวกเขาบ่งชี้ว่าไม่เพียงแต่กฎข้อที่สองจริงถือในระดับควอนตัมเท่านั้น แต่ยังเรียกร้องมากกว่าด้วย
แทนที่จะวิเคราะห์เอนโทรปีโดยตรง ทีมงานของออพเพนไฮม์มองว่าระบบมีพลังงานให้ทำงานมากน้อยเพียงใด ซึ่งเป็นปริมาณที่เรียกว่าพลังงานอิสระ ในโลกมหภาคของเรา ปริมาณพลังงานอิสระขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและเอนโทรปีของระบบเท่านั้น แต่ด้วยการซูมเข้าไปในคอลเล็กชั่นอนุภาคที่เล็กลงเรื่อยๆ นักวิจัยพบว่าพวกเขาต้องคำนึงถึงพลังงานอิสระอีกหลายสายพันธุ์ แต่ละคนลดลงเมื่อเวลาผ่านไป กล่าวอีกนัยหนึ่ง กฎข้อที่สองกำหนดให้ต้องปฏิบัติตามกฎในระดับควอนตัมมากยิ่งขึ้น
การทดลองเมื่อเร็วๆ นี้แสดงให้เห็นชัดเจนว่าความพยายามที่จะหลีกเลี่ยงกฎข้อที่สองในทุกระดับจะถึงวาระ ใน จดหมายทบทวนทางกายภาพในวันที่ 31 ธันวาคมJonne Koski นักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัย Aalto ในฟินแลนด์และเพื่อนร่วมงานได้สร้างห้องทดลองที่เทียบเท่ากับ “ปีศาจ” ที่ควบคุมความร้อนซึ่งสร้างโดย James Clerk Maxwell นักฟิสิกส์ชาวสก็อตในปี 1867
ความล้มเหลวเล็กน้อย
เจ. เฮิร์ชเฟลด์
อสูรของ Maxwell ซึ่งพยายามฝ่าฝืนกฎข้อที่สองของเทอร์โมไดนามิกส์โดยการคัดแยกโมเลกุลที่ช้า (สีเขียว) อย่างรวดเร็ว (สีน้ำเงิน) เพื่อหลีกเลี่ยงสมดุล (ซ้าย) จะล้มเหลวอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ในระดับควอนตัม การทดลองใหม่แสดงให้เห็น
แม็กซ์เวลล์สงสัยว่าเอนทิตีด้วยกล้องจุลทรรศน์สมมุติฐานที่ติดตามอนุภาคที่ลอยอยู่รอบ ๆ ภาชนะสองใบที่อยู่ติดกันสามารถแยกอนุภาคที่เคลื่อนที่เร็วออกจากอนุภาคที่ช้าได้หรือไม่ การกระทำของปีศาจจะลดค่าเอนโทรปีทั้งหมดของระบบ การละเมิดกฎข้อที่สอง และสร้างความแตกต่างของอุณหภูมิที่สามารถนำไปใช้ในการทำงานได้ฟรี
ทีมงานของ Koski ได้สร้างอุปกรณ์ปีศาจที่กีดกันวงจรความร้อนอิเล็กทรอนิกส์และทำให้เอนโทรปีของมันเช่นกัน ปีศาจทำหน้าที่ของมัน: ผู้เยี่ยมชมห้องแล็บที่สังเกตการทดลองจะคิดว่าวงจรกำลังละเมิดกฎข้อที่สอง แต่นักวิจัยยังสังเกตเห็นว่าปีศาจได้จ่ายราคาสำหรับการล่วงละเมิดของมัน ขณะที่มันทำกรรมสกปรก ปีศาจเองก็ร้อนขึ้น เอนโทรปีรวมของวงจรและปีศาจรวมกันเพิ่มขึ้นจริง ๆ เช่นเดียวกับที่กฎข้อที่สองกำหนด ( SN Online: 12/1/15 )
อสูรอิเล็กทรอนิกส์ของ Koski ล้มเหลวเนื่องจากการพึ่งพาข้อมูลเกี่ยวกับอนุภาคแต่ละตัว ความเชื่อมโยงระหว่างข้อมูลและอุณหพลศาสตร์มีมาตั้งแต่ปี 1929 นั่นคือเมื่อนักฟิสิกส์ชาวฮังการี Leo Szilard ขุดลึกลงไปในการทดลองทางความคิดของ Maxwell และร่างพิมพ์เขียวสำหรับการใช้ประโยชน์จากข้อมูลเกี่ยวกับอนุภาค เช่น ตำแหน่งและความเร็วเพื่อทำงาน งานของ Szilard แสดงให้เห็นว่าในทางฟิสิกส์ ข้อมูลไม่ได้เป็นเพียงราคาหุ้นหรือค่าเฉลี่ยการตีบอลของนักเบสบอล แต่เป็นข้อมูลทางกายภาพ
กว่าสามทศวรรษต่อมา Rolf Landauer นักฟิสิกส์ของ IBM แสดงให้เห็นว่าแนวทางของ Szilard มาพร้อมกับต้นทุน ปีศาจของแมกซ์เวลล์อาจใช้ประโยชน์จากความรู้ของมันเกี่ยวกับอนุภาคตัวหนึ่ง Landauer กล่าว แต่ปีศาจต้องใช้พลังงานที่ได้รับเมื่อมันขัดข้อมูลนั้นออกจากความทรงจำอันจำกัดของมันและหันความสนใจไปยังอนุภาคถัดไป การลบข้อมูลทำให้สิ้นเปลืองพลังงาน นั่นเป็นสาเหตุที่วงจรปีศาจที่ซับซ้อนไม่สามารถหลีกเลี่ยงกฎข้อที่สองได้
ข้อมูลมีความสำคัญอย่างชัดเจนในการทำความเข้าใจอุณหพลศาสตร์ และจำเป็นอย่างยิ่งต่อการทำความเข้าใจส่วนที่แปลกของกลศาสตร์ควอนตัม สสารเล็ก ๆ สามารถมีอยู่สองแห่งในคราวเดียว ปรากฏการณ์ที่เรียกว่าการซ้อน (superposition) อนุภาคตั้งแต่สองตัวขึ้นไปสามารถบิดเบี้ยวในสิ่งที่เรียกว่าสถานะพันกัน ซึ่งเชื่อมโยงคุณสมบัติของอนุภาคเข้าด้วยกันอย่างประณีตโดยไม่คำนึงถึงระยะห่างระหว่างกัน
นักฟิสิกส์หลายคนพยายามที่จะใช้ประโยชน์จากการวางซ้อน การพัวพันกับควอนตัม และกลอุบายอื่นๆ ของควอนตัมเพื่อทำงานที่มีข้อมูลจำนวนมากซึ่งเป็นไปไม่ได้ภายใต้กฎของฟิสิกส์คลาสสิก นักวิจัยมองเห็นเครือข่ายการสื่อสารที่มีความปลอดภัยสูงและคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ใช้ประโยชน์จากโฟตอนหรือไอออนที่พันกันเพื่อแก้ปัญหาที่ซับซ้อนได้อย่างง่ายดาย ( SN: 11/20/10, หน้า 22 )
credit : echocolatenyc.com echotheatrecompany.org faithbaptistchurchny.org familytaxpayers.net felhotarhely.net
