Klasyczne rozróżnienie między ciepłem a pracą, które przez ponad stulecie stanowiło fundament termodynamiki, w świecie kwantowym przestaje funkcjonować. Zespół naukowców pracujących pod kierownictwem prof. Patricka Pottsa opracował zupełnie nowe definicje ciepła i pracy, dostosowane do rzeczywistości obserwowanej w zakresie mikroskopowym. Badania, których wyniki opublikowano 24 listopada 2025 roku w Physical Review Letters wskazują, że dotychczasowe rozumienie przepływu energii wymaga gruntownej rewizji.
Termodynamika klasyczna i jej granice
W tradycyjnym ujęciu termodynamiki rozróżnienie między pracą a ciepłem wydaje się proste i intuicyjne. Praca to uporządkowany transfer energii, taki jak ruch tłoka w silniku, podczas gdy ciepło reprezentuje nieuporządkowany ruch cząstek. Problem pojawia się jednak, gdy cały układ staje się na tyle mały, że podlega prawom mechaniki kwantowej. Naukowcy wskazują, że w takich warunkach klasyczne kategorie po prostu przestają mieć sens, ponieważ w tej skali wszystko jest mikroskopowe.
Badacze skoncentrowali się na właściwościach światła w rezonatorach wnękowych, gdzie wiązka laserowa oddziałuje z atomami. Kluczową rolę w ich analizie odegrało pojęcie koherencji, czyli właściwości światła laserowego polegającej na synchronizacji fal świetlnych. Zaburzenia tej synchronizacji podczas przejścia światła przez atomy stały się punktem wyjścia do stworzenia nowych definicji termodynamicznych.
Jak spójność światła definiuje pracę kwantową?
Analiza koherencji światła w systemie laserowo-wnękowym stanowiła punkt wyjścia dla stworzenia zupełnie nowej koncepcji. Naukowcy zaproponowali podejście, w którym praca w kontekście kwantowym definiowana jest jako zdolność do ładowania tak zwanej baterii kwantowej, co wymaga użycia spójnego światła.
W nowym ujęciu tylko koherentna część światła opuszczającego układ traktowana jest jako praca, podczas część niekoherentna, gdzie synchronizacja została zaburzona, stanowi ciepło. Choć to rozróżnienie może wydawać się subtelne, ma fundamentalne znaczenie dla spójności teorii. Co ważne, takie definicje zapewniają zachowanie obu zasad termodynamiki – zarówno zasady zachowania energii, jak i zasady określającej kierunek przepływu ciepła.
Zastosowania nowych definicji
Proponowane podejście wykracza poza czysto teoretyczne rozważania. Nowy formalizm może mieć kluczowe znaczenie dla rozwoju technologii kwantowych, szczególnie w kontekście sieci kwantowych. Systemy komunikacji wykorzystujące splątanie kwantowe wymagają precyzyjnego zarządzania energią na poziomie pojedynczych fotonów, gdzie tradycyjne pojęcia termodynamiczne nie mają zastosowania.
Badacze dostrzegają również szersze implikacje swojego podejścia. Umożliwia ono lepsze zrozumienie przejścia od zachowań kwantowych do klasycznych w układach makroskopowych, co stanowi jedno z fundamentalnych pytań współczesnej fizyki. Nowe definicje podstawowych pojęć termodynamicznych stanowią ważny krok w kierunku pełnego zrozumienia zasad rządzących mikroświatem. Choć ich praktyczne zastosowania się pojawią dopiero w przyszłości, już teraz widać, że bez takich teoretycznych fundamentów dalszy rozwój zaawansowanych technologii kwantowych mógłby napotkać poważne ograniczenia.