Verstrengelde deeltjes breken de klassieke wet van de thermodynamica, zeggen natuurkundigen

In 1867 publiceerde de Schotse natuurkundige James Clerk Maxwell een gedachte-experiment dat laat zien hoe warmte uit een gasfles kan worden gehaald.

Maxwell bedacht een container die in tweeën wordt gedeeld door een muur met een luik dat kan worden geopend en gesloten om gasmoleculen door te laten.

Het experiment begint met al het gas in de ene helft van de container. Het gas bevat moleculen die met een breed scala aan snelheden bewegen. Telkens wanneer een hogesnelheidsmolecuul het valluik nadert, stelde Maxwell zich een 'demon' voor die het zou openen om het molecuul door te laten.

Uiteindelijk komen alle snelle moleculen in de ene helft van de container terecht, terwijl de langzame in de andere helft blijven. In feite heeft de demon de ene helft van de container verwarmd en de andere gekoeld.

Een paar jaar geleden hebben we gekeken naar een experimentele versie van de demon van Maxwell, waarin Japanse natuurkundigen een soort trap creëerden waarin ze een energiebarrière verlaagden zodat atomen een trede konden opspringen en deze vervolgens verhoogden om te voorkomen dat het atoom terugvalt weer naar beneden.

Daardoor klom het atoom langzaam de trap op, ook al werd er geen energie aan het systeem toegevoegd.

De demon van Maxwell en zijn experimentele tegenhangers zien eruit als een duidelijke schending van de tweede wet van de thermodynamica, die stelt dat warmte niet van een koud lichaam naar een heet lichaam kan worden doorgegeven zonder werk te doen en dat perpetuum mobile van dit type onmogelijk is.

Maar eigenlijk is hier niets bovennatuurlijks aan de hand. Moderne natuurkundigen hebben zich gerealiseerd dat een volledige beschrijving van de thermodynamica een beoordeling moet bevatten van de orde en wanorde in het systeem, met andere woorden van de informatie die het bevat.

De Japanse natuurkundigen moeten te allen tijde de positie van het atoom in de gaten houden om te weten wanneer ze de barrières moeten verhogen en verlagen. Wanneer rekening wordt gehouden met dit monitoringsysteem en de informatie die het genereert, is alles zoals het zou moeten zijn.

Wat echter bijzonder was aan het Japanse experiment, is dat het informatie in energie omzet.

Sindsdien beginnen natuurkundigen zich af te vragen of er misschien nog andere interessante complexiteiten in de tweede wet zitten, vooral wanneer ze rekening houden met de kwantumaard van deeltjes.

Hoe zou de kwantummechanica een rol kunnen spelen? Een mogelijkheid houdt verband met het vreemde fenomeen van verstrengeling waarbij twee deeltjes zo diep met elkaar verbonden raken dat ze hetzelfde bestaan ​​delen, zelfs als ze gescheiden zijn door de breedte van het universum. Wanneer twee deeltjes met elkaar verstrengeld zijn, geeft een meting op één u informatie over beide deeltjes.

Het is niet moeilijk om te zien hoe dit kan worden gebruikt in een Maxwell demon-type experiment en vandaag is dat precies wat Ken Funo van de Universiteit van Tokyo in Japan en een paar vrienden doen. Hier is hoe.

Stel je twee dozen met deeltjes voor met een luik ertussen. Je wilt het valluik gebruiken om de snellere deeltjes naar de ene doos te leiden en de langzamere deeltjes naar de andere. In een klassiek experiment zou je de deeltjes in beide dozen moeten meten om dit experiment te doen.

Maar het wordt anders als de deeltjes in de ene doos verstrengeld zijn met de deeltjes in de andere. In dat geval geven metingen aan de deeltjes in één doos je informatie over beide sets deeltjes.

In wezen krijg je informatie voor niets. En aangezien je die informatie kunt omzetten in energie, is er duidelijk voordeel als verstrengeling een rol speelt.

Dat is enorm belangrijk. Het betekent dat de wetten van de thermodynamica niet alleen afhangen van klassieke fenomenen en informatie, maar ook van kwantumeffecten. De doorbraak die Funo en co maken is om de theorie uit te breiden om hiermee rekening te houden. We laten zien dat verstrengelde toestanden kunnen worden gebruikt om thermodynamisch werk te extraheren dat verder gaat dan klassieke correlatie, zeggen ze.

Dat zal belangrijke implicaties hebben voor allerlei fenomenen, van zwarte gaten en astrobiologie tot kwantumchemie en nanomachines.

Nu zal de race beginnen om te zien wie het als eerste kan meten.

Referentie: arxiv.org/abs/1207.6872 : Thermodynamische werkwinst door verstrengeling

zich verstoppen