Квантовий двигун, або як обдурити закони термодинаміки
Сучасні двигуни недосконалі. Фізики, що накладаються законами, обмеження не дозволяють досягти максимальної ефективності, і якась частина енергії неминуче втрачається. Є, однак, цікавий спосіб обійти ці обмеження, і зовсім недавно це вдалося довести.
Ефективність будь-якого двигуна залежить від того, скільки енергії він втрачає під час роботи. Парові двигуни саме тому не набули широкого поширення, що занадто багато тепла йшло не на перетворення на кінетичну енергію (тобто в рух), а в навколишній простір.
Втілитись у реальність світу стимпанку частково завадила сама природа, зокрема – другий закон термодинаміки, за яким будь-яка замкнута система прагне рівномірного розсіювання енергії-тепла. Це накладає певні обмеження на будь-які двигуни.
Майже непереборною перешкодою на шляху до максимально ефективного (ідеального) двигуна також є тертя при здійсненні механічної роботи – повітряне середовище, деталі механізму і т.д.
Таким чином, частина енергії, що виділяється при перетворенні палива, безповоротно втрачається, що призводить до зниження ефективності того чи іншого двигуна. Уникнути тертя та втрати енергії в макроскопічних (тобто у великих, на зразок автомобільного двигуна внутрішнього згоряння) системах досить важко.
Постає закономірне питання – чи можна обійти обмеження макросвіту, «спустившись» у мікросвіт?
Як свідчить низка досліджень, присвячених створенню квантових двигунів, можна. Справа в тому, що на квантових масштабах термодинамічні процеси відбуваються зовсім інакше. Це навіть призвело вчених до необхідності створення теорії, яка б об'єднала квантову механіку і термодинаміку.
У рамках розробкитакої теорії фізиків залучила проблема створення квантового двигуна, який міг би виконувати роботу абсолютно без втрати енергії, уникаючи не лише тертя, а й теплообміну із зовнішнім середовищем. Іншими словами, такий двигун досяг би максимальної ефективності.
Зокрема, фізикам вдалося адаптувати цикл Отто – термодинамічний процес, що описує дію ідеального двигуна внутрішнього згоряння – до масштабів мікросвіту. Дозволили їм це зробити сучасні здобутки теоретичної фізики. Наприклад, вчені використовували експериментально доведену теорему флуктуацій, яка акуратно коригує другий закон термодинаміки і припускає, що ентропія (розсіювання енергії) з часом може не тільки збільшуватися в деяких системах, а й зменшуватися.
Використовуючи так звані короткі шляхи для досягнення адіабатичності (shortcuts to adiabaticity), вчені показали, як міг би працювати двигун на основі циклу Отто розміром з атом. «Поршнем» у ньому був квантовий гармонійний осцилятор, оточений двома мікроскопічними камерами для підведення теплоти до робочого тіла (осцилятора) та його охолодження. Сама робота, як і в стандартному, не квантовому циклі Отто, здійснювалася за допомогою стиснення і розширення робочого тіла.
Відсутність тертя забезпечувалося б «суперадіабатичність» - станом, що імітує роботу двигуна при повільних адіабатичних процесах. Розрахунки вчених демонструють, що подібний двигун функціонував би дуже повільно, проте його цикл був би оборотним і кінцевим у часі, що дозволило б йому все ж таки здійснювати деяку роботу.
Теоретичне обґрунтування концепту робітника «суперадіабатичного» квантового двигуна є кроком уперед на шляху до здійснення давньої мрії фізиків – побудовидвигуна з максимальною ефективністю під час видачі максимальної потужності. Це, звичайно, не вічний двигун, але теж дуже вражаюча і більш реалістична перспектива.
Також дана робота вчених є корисною у справі розробки квантової термодинаміки – теорії, яка примирила б термодинамічні процеси та фізику елементарних частинок.
Патерностро та його колеги вже ведуть переговори з представниками деяких наукових організацій у Європі, щоб перевірити свою теорію. Зокрема, вони хочуть отримати доступ до певного обладнання, щоб спочатку зловити одиночний атом за допомогою лазера, а потім піддати його тепловим перетворенням циклу Отто.
Якщо фізикам вдасться вже на практиці довести свою правоту, це може призвести до поширення максимально ефективних мікродвигунів квантових і наномасштабів, спектр застосування яких може виявитися дуже вражаючим.