Entangled partiklar bryter den klassiska termodynamikens lag, säger fysiker

År 1867 publicerade den skotske fysikern James Clerk Maxwell ett tankeexperiment som visade hur man utvinner värme från en behållare med gas.

Maxwell drömde om en behållare delad på mitten av en vägg med en lucka som kan öppnas och stängas för att tillåta gasmolekyler att passera.

Experimentet börjar med all gas i ena halvan av behållaren. Gasen innehåller molekyler som rör sig med ett brett spektrum av hastigheter. Närhelst en höghastighetsmolekyl närmar sig falldörren, föreställde sig Maxwell en 'demon' som öppnade den för att släppa igenom molekylen.

Så småningom hamnar alla snabba molekyler i ena halvan av behållaren medan de långsamma stannar i den andra halvan. I själva verket har demonen värmt upp ena halvan av behållaren och kylt den andra.

För ett par år sedan tittade vi på en experimentell version av Maxwells demon, där japanska fysiker skapade en sorts trappa där de sänkte en energibarriär för att låta atomer hoppa upp ett steg och sedan höjde den för att förhindra att atomen faller tillbaka. Nere igen.

Som ett resultat klättrade atomen långsamt upp för trappan trots att ingen energi tillfördes systemet.

Maxwells demon och dess experimentella motsvarigheter ser ut som ett tydligt brott mot termodynamikens andra lag, som säger att värme inte kan överföras från en kall kropp till en varm kropp utan att utföra arbete och att evighetsmaskiner av denna typ är omöjliga.

Men egentligen finns det inget övernaturligt här. Moderna fysiker har insett att en fullständig beskrivning av termodynamiken måste innehålla en bedömning av ordningen och oordningen i systemet, med andra ord av den information det innehåller.

De japanska fysikerna måste övervaka atomens position hela tiden för att veta när de ska höja och sänka barriärerna. När man tar hänsyn till detta övervakningssystem och den information det genererar är allt som det ska.

Det som dock var extraordinärt med det japanska experimentet är att det omvandlade information till energi.

Sedan dess har fysiker börjat fråga om det kan finnas några andra intressanta komplexiteter i den andra lagen, särskilt när de tar hänsyn till partiklarnas kvantnatur.

Hur kan kvantmekaniken spela en roll? En möjlighet är relaterad till det konstiga fenomenet intrassling där två partiklar blir så djupt sammanlänkade att de delar samma existens, även när de är åtskilda av universums bredd. När två partiklar är intrasslade ger en mätning på en information om båda partiklarna.

Det är inte svårt att se hur detta kan användas i ett Maxwell-experiment av demontyp och idag är det precis vad Ken Funo vid University of Tokyo i Japan och ett par kompisar gör. Här är hur.

Föreställ dig två lådor med partiklar med lucka mellan dem. Du vill använda fallluckan för att leda de snabbare partiklarna in i en låda och de långsammare partiklarna in i den andra. I ett klassiskt experiment skulle du behöva mäta partiklarna i båda lådorna för att göra detta experiment.

Men saker och ting är annorlunda om partiklarna i den ena lådan är intrasslade med partiklarna i den andra. I så fall ger mätningar på partiklarna i en låda dig info om båda uppsättningarna av partiklar.

I huvudsak får du information för ingenting. Och eftersom du kan omvandla den informationen till energi, finns det en klar fördel när intrassling spelar en roll.

Det är enormt betydelsefullt. Det betyder att termodynamikens lagar inte bara beror på klassiska fenomen och information utan också på kvanteffekter. Genombrottet som Funo och co gör är att utöka teorin för att ta hänsyn till detta. Vi visar att intrasslade tillstånd kan användas för att extrahera termodynamiskt arbete bortom klassisk korrelation, säger de.

Det kommer att få viktiga konsekvenser för alla typer av fenomen, från svarta hål och astrobiologi till kvantkemi och nanomaskiner.

Nu ska loppet köras för att se vem som kan mäta det först.

Ref: arxiv.org/abs/1207.6872 : Termodynamisk arbetsvinst från entanglement

Dölj