Sammenfiltrede partikler bryder den klassiske termodynamiske lov, siger fysikere

I 1867 udgav den skotske fysiker, James Clerk Maxwell, et tankeeksperiment, der viste, hvordan man udvinder varme fra en beholder med gas.

Maxwell drømte om en beholder delt i to af en væg med en fældedør, der kan åbnes og lukkes for at tillade gasmolekyler at passere igennem.

Forsøget begynder med al gassen i den ene halvdel af beholderen. Gassen indeholder molekyler, der bevæger sig med en lang række hastigheder. Når et højhastighedsmolekyle nærmer sig fældedøren, forestillede Maxwell sig en 'dæmon', der åbnede den for at lade molekylet komme igennem.

Til sidst ender alle de hurtige molekyler i den ene halvdel af beholderen, mens de langsomme bliver i den anden halvdel. Faktisk har dæmonen opvarmet den ene halvdel af beholderen og afkølet den anden.

For et par år siden så vi på en eksperimentel version af Maxwells dæmon, hvor japanske fysikere lavede en slags trappe, hvor de sænkede en energibarriere for at tillade atomer at hoppe op et trin og derefter hævede den for at forhindre, at atomet faldt tilbage. ned igen.

Som et resultat klatrede atomet langsomt op ad trappen, selvom der ikke blev tilført energi til systemet.

Maxwells dæmon og dens eksperimentelle modstykker ligner en klar overtrædelse af termodynamikkens anden lov, som siger, at varme ikke kan overføres fra en kold krop til en varm krop uden at udføre arbejde, og at evighedsmaskiner af denne type er umulige.

Men faktisk sker der ikke noget overnaturligt her. Moderne fysikere har indset, at en fuldstændig beskrivelse af termodynamik skal omfatte en vurdering af orden og uorden i systemet, med andre ord af den information, det indeholder.

De japanske fysikere skal hele tiden overvåge atomets position for at vide, hvornår de skal hæve og sænke barriererne. Når dette overvågningssystem og den information, det genererer, tages i betragtning, er alt, som det skal være.

Det, der dog var ekstraordinært ved det japanske eksperiment, er, at det konverterede information til energi.

Siden da er fysikere begyndt at spørge, om der kan være nogle andre interessante kompleksiteter i den anden lov, især når de tager hensyn til partiklernes kvantenatur.

Hvordan kan kvantemekanik spille en rolle? En mulighed er relateret til det mærkelige fænomen med sammenfiltring, hvor to partikler bliver så dybt forbundet, at de deler den samme eksistens, selv når de er adskilt af universets bredde. Når to partikler er viklet ind, giver en måling på den ene dig information om begge partikler.

Det er ikke svært at se, hvordan dette kan bruges i et Maxwell-dæmon-eksperiment, og i dag er det præcis, hvad Ken Funo ved Tokyo University i Japan og et par venner gør. Sådan gør du.

Forestil dig to kasser med partikler med fældedør mellem dem. Du vil bruge fældedøren til at lede de hurtigere partikler ind i den ene boks og de langsommere partikler ind i den anden. I et klassisk eksperiment skal du måle partiklerne i begge kasser for at udføre dette eksperiment.

Men tingene er anderledes, hvis partiklerne i den ene boks er viklet sammen med partiklerne i den anden. I så fald giver målinger på partiklerne i én boks dig info om begge sæt partikler.

I bund og grund får du information for ingenting. Og da du kan konvertere den information til energi, er der en klar fordel, når sammenfiltring spiller en rolle.

Det er enormt betydningsfuldt. Det betyder, at termodynamikkens love ikke kun afhænger af klassiske fænomener og informationer, men også af kvanteeffekter. Det gennembrud, Funo og co laver, er at udvide teorien til at tage højde for dette. Vi viser, at sammenfiltrede tilstande kan bruges til at udtrække termodynamisk arbejde ud over klassisk korrelation, siger de.

Det vil have vigtige konsekvenser for alle slags fænomener, fra sorte huller og astrobiologi til kvantekemi og nanomaskiner.

Nu skal løbet i gang for at se, hvem der først kan måle det.

Ref: arxiv.org/abs/1207.6872 : Termodynamisk arbejdsgevinst fra sammenfiltring

skjule