Предел эффективности: Физики обнаружили лазейку в 200-летнем законе термодинамики

Термодинамика на атомном уровне: новые открытия

Один из краеугольных камней классической физики, правило, которому около двух столетий, оказался не таким всеобъемлющим, как считалось ранее. Недавнее исследование показало, что фундаментальный предел эффективности тепловых машин, установленный в XIX веке, может быть обойден на уровне микроскопических, квантовых систем. Это не означает тотального крушения законов природы, но указывает на неполноту старых формул при описании явлений на атомном уровне.

Речь идет о принципе Карно, который устанавливает максимальный теоретический КПД для любого теплового двигателя, зависящий исключительно от разницы температур между его горячим и холодным резервуарами. Этот принцип лежит в основе всей термодинамики, применяемой для описания всего — от паровых машин до современных энергетических установок.

Квантовые корреляции как новый источник энергии

Ученые, работавшие с объектами наномасштаба, выяснили, что в крошечных квантовых механизмах в игру вступают факторы, не учтенные в макроскопической теории. Нарушение, или, точнее, формальное превышение предела Карно, становится возможным благодаря так называемым квантовым корреляциям — особым, запутанным связям между частицами.

Исследователи продемонстрировали, что миниатюрные тепловые двигатели, оперирующие на размере нескольких атомов, способны извлекать полезную работу не только из разницы температур, но и за счет энергии этих внутренних квантовых связей. В результате, они могут демонстрировать эффективность, превышающую классический карнотовский предел. Это явление обнаружили группы физиков, моделировавшие работу таких систем.

Эффективность старых формул была рассчитана для больших машин. В малых квантовых системах привычные ограничения дают трещину, поскольку мы начинаем учитывать поведение материи на ином уровне.

Не нарушение, а уточнение закона

Важно подчеркнуть, что эксперты сходятся во мнении: речь не идет о «вечном двигателе» или нарушении первого и второго законов термодинамики в их общем понимании. Открытие скорее свидетельствует о том, что классические уравнения, выведенные для макроскопических объектов, не содержали всего набора переменных, необходимых для точного описания квантовых объектов. В данном случае, квантовые корреляции выступают как дополнительный, ранее невидимый «резервуар» или источник энергии в процессе преобразования тепла в работу.

По мнению физиков, это открытие не отменяет уже существующие инженерные достижения, но открывает новую главу в понимании тепловых процессов в микромире. Упоминалось, что такие выводы могут быть важны для фундаментальных исследований, например, в контексте изучения изменчивости физических констант или в задачах, связанных с темной материей, хотя прямого доказательства пока нет.

Перспективы для нанотехнологий и медицины

Обнаружение этой «лазейки» имеет существенное прикладное значение, особенно в области разработки устройств, оперирующих на атомарном или молекулярном уровне. Ускоренное развитие ультра-малых двигателей, работающих с высокой эффективностью при малых тепловых градиентах, может стать реальностью.

Среди потенциальных областей применения называют нанотехнологии, где требуется точное управление энергией на микроуровне, а также медицину, например, для создания молекулярных машин или систем доставки лекарств, требующих высокой точности и минимального энергетического следа. Эта работа подталкивает исследователей к созданию более совершенных теоретических моделей, способных описать полную картину энергетических преобразований в экстремально малых масштабах.

Роль фундаментальных исследований в Латвии и мире

Хотя само открытие было сделано международной группой ученых, результаты активно обсуждаются в мировом научном сообществе, включая научные центры в регионе Балтии. Фундаментальные исследования, такие как в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ) в рамках планов развития, направлены на расширение Стандартной модели и поиск новых законов природы, что косвенно связано с проверкой универсальности существующих принципов. Такие прорывы служат напоминанием о важности постоянного пересмотра даже самых устоявшихся научных догм.