در طول تاریخ علم همواره اصول بنیادین دانش دماپویایی (ترمودینامیک) و زیر شاخه‌های آن با قوانین علم مکانیک، چه کلاسیک و چه کوانتومی در تضاد و تناقض بوده است. نظریه پردازان فیزیک بر آن شده‌اند تا قوانین ترمودینامیک را بر اساس فیزیک کوانتومی تعریف نمایند که البته در این زمینه به نتایج قابل توجهی نیز دست یافته‌اند.

ترمودینامیک کوانتومی یکی از نوین ترین رشته های علم امروز محسوب می شود و سعی بر آن دارد دانش کوانتوم را با علوم حرارت آشتی دهد. این علم امروزه مادام در حال گسترش است و جنجال‌هایی نیز بر پا کرده است. بسیاری از فیزیکدانان امیدوارند بتوانند با بازسازی علم ترمودینامیک بر اساس قوانین مکانیک کوانتومی به شک و تردیدها و جنجال‌های دیرینه در این خصوص خاتمه دهند. گفتنی است چندین آزمایش عملی در این زمینه نیز صورت گرفته است. دانشمندان از طریق این مطالعات در تلاشند دریابند آیا گرما می تواند بر روی عناصر الکترونیکی و یا دستگاه‌هایی که ابعاد اتمی دارند موثر واقع شود.


با وجود آنکه تا به امروزه رویکردهای متعددی ارائه شده است و برخی از آنها نیز در ماه جاری در پنجمین کنفرانس بین الملی ترمودینامیک کوانتومی درشهر آکسفورد انگلستان معرفی شده‌اند، اما این رشته هنوز نو پا قلمداد می شود و آنچنان که باید جا نیفتاده است. پرسشی که ذهن دانشمندان را به خود مشغول کرده این است که آیا قوانینی که گرما و انرژی را تحت الشعاع قرار می دهند، در مورد سیستم های بسیار کوچک در ابعاد نانومتری هم  مصداق پیدا می کنند یا آنکه برای آنها باید قوانین جدید دیگری تعریف شود.

 

تلاش برای کشف این موضوع هر روز روبه افزایش است. به گفته والتکو ویدرال هماهنگ کننده این همایش و فیزیکدان دانشگاه آکسفورد، تعداد شرکت کنندگان در این کنفرانس امسال به ۱۰۰ نفر یعنی دو برابر سال گذشته رسید. فلیکس بیندر، نظریه‌پرداز دانشگاه صنعتی سنگاپور می گوید این همایش میزبان پژوهشگرانی بود که در زیرشاخه های مختلف فعالیت دارند. به عقیده وی سدها و مرزهایی که این رشته ها را از یکدیگر مجزا می سازد در حال فروپاشی است. اما به رغم این موضوع بسیاری از فیزیکدانان از جمله پیتر هانگی نماینده دانشگاه آگزبورگ آلمان اذعان می‌دارند:« بخشی از کار به مسیری دیگر انحراف یافته است. این رشته روبه رشد است، اما در عین حال راجع به آن مطالب نادرست نگاشته و صحبت‌های بی پایه ای ارائه شده است.»


فیزیکدانان به بحث و گفتگو درباره مفهوم سه قانون ترمودینامیک که در قرن نوزده و اویل قرن بیستم مطرح شده بودند، پرداختند. بر اساس این سه قانون انرژی نمی‌تواند به وجود آید و یا از بین برود. در یک سیستم ایزوله شده کمیت اختلالات یا همان آنتروپی نمی تواند کاهش یابد و نیز اینکه رساندن دمای اجسام به دمای صفر مطلق غیر ممکن است.


در ترمودینامیک نوعی پارادوکس وجود دارد. قانون دوم محدودیت‌هایی در خصوص تبدیل گرما به کار قائل است که این خود جای بحث دارد.
طبق این قانون، تولید اختلال یک فرایند یک طرفه است، اما به عقیده برخی فیزیکدانان این قانون در مقیاس میکروسکوپی با قوانین مکانیک (قانون نیوتن و فیزیک کوانتوم) در تناقض به نظر می رسد. از دیدگاه این فیزیکدانان تمامی پروسه ها دارای قابلیت انعکاس هستند. پژوهشگران راه حلهای متعددی برای حل این معما ارائه داده اند. اما هیچ یک نتوانسته است نظر کلیه پژوهشگران را به خود جلب کند. کریستین گوگولین فیزیکدان موسسه علوم فوتونیک کاستید فلس اسپانیا می گوید:«این موضوع همواره یکی از ابهامات علم بوده است.»

 

گوگلین بر آن شده است تا با استفاده از مکانیک آماری برخی کمیتها چون دما و حرارت را به مکانیک کوانتومی مبدل کند. برخی از فیزیکدانان بر این باورند که رویکرد آماری- مکانیکی نشان می دهد برخی کمیتها از جمله آنتروپی و یا حرارت به میزان اطلاعات بیننده بستگی دارد.  این رویکرد در سالهای اخیر مورد مطالعات بسیاری قرار گرفت و فیزیکدانان از نتیجه ی این مطالعات دریافتند که اطلاعات چیزی کیفی هستند، اما دارای مفهوم فیزیکی. مکانیک آماری در سیستم های متشکل از ذراتی که طبق قوانین کوانتومی گرد هم آمده اند غیر قابل نفوذ می باشند. به طور مثال اگر گرایش بسوی اختلال پدیده ای کاملا آماری باشد، پس اصولا نمی تواند بر روی یک موکول موثر باشد.


با این وجود در ده سال اخیر نظریه پردازان ثابت نموده اند که سیستم های کوانتومی گرایشی بسوی رسیدن و حفظ تعادل دارند، حتی زمانی که تعداد عناصر آنها ناچیز باشد. آزمایش‌هایی که در خلا نور لیزر بر روی شمار اندکی اتم صورت گرفته است، این نظریه  را اثبات می رساند. علاوه بر این، در یکی از مقالاتی که در سال ۲۰۱۱ در مجله نیچر چاپ شده بود، ویدرال و همکارانش نشان داده اند که ارتباطات کوانتومی، یعنی توان ذرات در اشتراک یک حالت کوانتومی آن هم هنگامی که در فواصل دور از یکدیگر قرار دارند، می تواند برای تولید کار مکانیکی موثر باشد. اخیرا فیزیکدانان به موفقیت هایی در خصوص قانون سوم دست یافته اند. بر اساس مقاله ای که در ۱۴ مارس ۲۰۱۷ (۲۳ اسفندماه ۱۳۹۵) در مجله نیچر ارتباطات منتشر گردید پژوهشگران دانشگاه لندن، لودیس ماسانآس و جاناتان اوچن هیم، اثبات نمودند که  قوانین مکانیک کوانتومی سرعتی که به واسطه آن در اجسام حرارت ایجاد می شود، کاهش می دهد و رسیدن به نقطه صفر مطلق نیاز به زمانی نامحدود دارد. از  حاصل مطالعات آنها چنین بر می آید که قانون سوم از طریق مکانیک کوانتومی قابل اثبات است.

به عقیده نظریه پردازان دانشگاه آکسفورد، کیارا مارلِتو و دیوید دِاوچ باید معیارهایی تعریف شود که با تمامی نظریه‌های فیزیک همگام و در یک راستا باشد. به عبارتی نوعی «نظریه عام» که مکانیک کوانتومی نیز شامل آن می شود. مارلتو در یکی از پیش‌نویس‌هایش که به سال  ۲۰۱۶ برمی‌گردد توضیحاتی درباره این که چگونه می توان از طریق این نمیه قوانین به تعریف مفاهیم ترمودینامیک پرداخت،ارائه داده است.


نتیجه‌ی این مناظره‌ها هرچه باشد می تواند برای فناوری آینده موثر واقع شود. فیزیکدانان در این مناظره‌ها «موتورهای حرارتی کوانتومی» تهیه کرده و مورد استفاده قرار داده اند. این دستگاه‌ها قادر هستند حرارت را از لحاظ کوانتومی به کار تبدیل کند. اپلیکیشن‌های انفورماتیک کوانتومی در حال گذر از مرحله نظری به مرحله واقعیت هستند. درک ترمودینامیک بر مقیاس بسیار کوچک می تواند برای علم امروز تعیین کننده محسوب شود. رِنر می گوید:«باید الگوریتم‌هایی ساخت که نه تنها دارای سرعت بالا باشند، بلکه به لحاظ ترمودینامیک از کارکرد بسیار خوبی برخوردار باشند.»


نیلوفر ذکاوت

منابع:

Le Scienze

Nature

Quantum Thermodynamics

 

 

0 پاسخ

دیدگاه خود را ثبت کنید

تمایل دارید در گفتگوها شرکت کنید؟
در گفتگو ها شرکت کنید.

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *