يقوم الفيزيائيون بإنشاء مقياس حرارة لقياس “الكمية”

النسخة الأصلية ل هذه القصة ظهرت في مجلة كوانتا.

إذا كان هناك قانون واحد في الفيزياء يبدو من السهل فهمه، فهو القانون الثاني للديناميكا الحرارية: تتدفق الحرارة تلقائيًا من الأجسام الأكثر سخونة إلى الأجسام الباردة. لكن الآن، وبلطف وبشكل عرضي تقريبًا، أوضح لي أليكساندر دي أوليفيرا جونيور للتو أنني لم أفهم الأمر حقًا على الإطلاق.

“خذي هذا الكوب الساخن من القهوة، وهذا الإبريق البارد من الحليب”، قال الفيزيائي البرازيلي بينما كنا نجلس في مقهى في كوبنهاغن. ضعهما على اتصال، ومن المؤكد أن الحرارة سوف تتدفق من الجسم الساخن إلى الجسم البارد، تمامًا كما صرح العالم الألماني رودولف كلاوسيوس رسميًا لأول مرة في عام 1850. ومع ذلك، في بعض الحالات، أوضح دي أوليفيرا، تعلم الفيزيائيون أن قوانين ميكانيكا الكم يمكن أن تدفع تدفق الحرارة في الاتجاه المعاكس: من البارد إلى الساخن.

وأضاف بينما تبرد قهوته بشكل مطمئن، هذا لا يعني فشل القانون الثاني. إن الأمر مجرد أن تعبير كلوزيوس هو “الحد الكلاسيكي” لصيغة أكثر اكتمالاً تتطلبها فيزياء الكم.

بدأ الفيزيائيون في تقدير مدى دقة هذا الوضع منذ أكثر من عقدين من الزمن، وقاموا باستكشاف النسخة الميكانيكية الكمومية للقانون الثاني منذ ذلك الحين. الآن، أظهر دي أوليفيرا، باحث ما بعد الدكتوراه في الجامعة التقنية في الدنمارك، وزملاؤه أن هذا النوع من “تدفق الحرارة الشاذ” الذي يتم تمكينه على المستوى الكمي يمكن أن يكون له استخدام مناسب ومبتكر.

ويقولون إنها يمكن أن تكون بمثابة طريقة سهلة لاكتشاف “الكمية” – على سبيل المثال، الاستشعار عن وجود جسم ما في “تراكب” كمي لحالات متعددة محتملة يمكن ملاحظتها، أو أن اثنين من هذه الأجسام متشابكان، مع حالات مترابطة – دون تدمير تلك الظواهر الكمومية الدقيقة. ويمكن استخدام مثل هذه الأداة التشخيصية للتأكد من أن الكمبيوتر الكمي يستخدم حقًا الموارد الكمومية لإجراء العمليات الحسابية. وقد يكون من المفيد أيضًا استشعار الجوانب الكمومية لقوة الجاذبية، وهو أحد الأهداف الممتدة للفيزياء الحديثة. يقول الباحثون إن كل ما هو مطلوب هو توصيل النظام الكمي بنظام ثانٍ يمكنه تخزين المعلومات عنه، وبمشتت حراري: جسم قادر على امتصاص الكثير من الطاقة. باستخدام هذا الإعداد، يمكنك تعزيز نقل الحرارة إلى المشتت الحراري، بما يتجاوز ما هو مسموح به بشكل كلاسيكي. ببساطة عن طريق قياس مدى سخونة الحوض، يمكنك بعد ذلك اكتشاف وجود التراكب أو التشابك في النظام الكمي.