Наше современное понимание термодинамики может оказаться в корне неправильным, если его применять к малым системам. По данным нового исследования из Университетского колледжа Лондона и Университета Гданьска, наше понимание следует изменить. Совместная работа ученых постулирует новые законы активно развивающейся квантовой термодинамики.

Выводы, опубликованные в Nature Communications, могут найти широкое применение в малых системах, от наноразмерных двигателей и квантовых технологий до биологических моторов и систем, функционирующих в организме.

Законы термодинамики управляют большой частью мира вокруг нас — чашка горячего чая в холодном помещении скорее остынет, чем нагреется; они говорят нам, что если мы не будем аккуратны, наши дома скорее замусорятся, чем уберутся. Они также подсказывают нам, как эффективней сделать двигатель внутреннего сгорания.

Современные законы термодинамики применимы только к крупным объектам, в которые вовлечено множество частиц. Законы термодинамики для небольших систем не до конца понятны, но именно они отвечают за процесс строительства молекулярных моторчиков и квантовых компьютеров, кроме того, определяют эффективность извлечения энергии в процессе фотосинтеза.

В своей работе ученые использовали результаты квантовой теории информации для адаптации законов термодинамики под малые системы: микроскопические двигатели, квантовые технологии и наноустройства.

Малые системы ведут себя по-разному в крупных системах, состоящих из множества частиц. И когда система становится слишком малой, в игру вступают квантовые эффекты. Исследователи обнаружили набор законов, определяющих поведение микроскопических систем, когда мы нагреваем их или охлаждаем. Важным следствием из закона стала более фундаментальная необратимость в малых системах, а значит, микроскопические двигатели внутреннего сгорания не могут быть столь же эффективными, как их более крупные коллеги.

«Мы видим, что природа накладывает принципиальные ограничения на извлечение энергии из микроскопических систем и тепловых двигателей. Квантовый тепловой двигатель будет не таким эффективным, как макроскопический, и частенько будет отключаться», — сообщил профессор Оппенгейм из Исследовательского университета королевского сообщества. — «Ограничения накладываются как на конечные размерные эффекты, так и на квантовые».

Исследователи изучили эффективность микроскопического теплового двигателя и выяснили, что одна из базовых величин в термодинамике, свободная энергия, не определяет, что может произойти в малых системах, и особенно в квантово-механической системе. Вместо этого микроскопической системой управляет несколько новых свободных энергий.

В крупной системе, если вы введете чистую энергию в систему, вы получите всю энергию назад и сможете питать механизм, который покажет стабильную работу (вроде подъема тяжелого веса). Однако исследователи выяснили, что в микроскопических системах все не так. Если вы введете работу в квантовую систему, вы вообще не получите ее обратно.

Профессор Михал Городецки из Гданьского университета, соавтор работы, сообщает:

«Термодинамика в микроскопических масштабах принципиально необратима. Она разительно отличается от крупных систем, где все термодинамические процессы могут быть обратимы, если мы достаточно медленно будем менять систему».