Kvantový exorcismus není nutný. Kredit: Reiko Matsushita.

Není tajemstvím, že kvantová mechanika a termodynamika kolem sebe chodí raději po špičkách. Obvykle si hledí svého a příliš nezasahují do říše toho druhého. Dejme tomu jako Morfeus a Lucifer. Pozoruhodný výzkumný tým, který spojil odborníky japonské Nagoya University a Slovenské akademie věd tohle tabu porušil. A jak se, svět nezanikl ve víru chaosu.

Shintaro Minagawa. Kredit: S. Minagawa.

Shintaro Minagawa a jeho kolegové se poprali s rovnicemi a dospěli k překvapivému nebo alespoň osvěžujícímu závěru. Prokázali, že zatímco kvantová mechanika ze své podstaty nezakazuje porušování druhého termodynamického zákona, kvantové procesy lze ukotvit v termodynamice, aniž by došlo k porušení zmíněného zákona.

Vlastně je to tak trochu jako fyzikální červená knihovna. Jak se zdá, kvantová mechanika a termodynamika jsou sice navzájem nezávislé, ale mohou harmonicky koexistovat. Schrödingerova kočka a Maxwellův démon si podle všeho nejdou navzájem po krku. Zní to poněkud lacině, ale ve skutečnosti to otevírá cestu ke zkoumání termodynamických charakteristik kvantových technologií, jako kvantové počítače nebo nanostrojky.

Logo. Kredit: Nagoya University.

Druhý termodynamický zákon nás ujišťuje, že chladnější těleso samovolně nepředává teplo tělesu teplejšímu neboli že entropie, míra neuspořádanosti systémy, nikdy sama od sebe neklesne. Zní to jednoduše, ale právě tento zákon je jedním z nejméně chápaných a nejvíce diskutovaných mezi vědeckými principy.

Ústředním prvkem této letité debaty je potměšilý Maxwellův démon, který dokáže bez vynaložení energie třídit molekuly na rychlé a pomalé a vytváří tak rozdíl teploty, který by bylo možné využít k práci. Tím Maxwellův démon porušuje druhý termodynamický zákon. Fyzici se s tím démonem potýkají a zkoumají univerzalitu druhého termodynamického zákona. Navrhovaná řešení jsou obvykle založená na pojetí démona jako fyzikálního systému, který podléhá termodynamickým zákonům. Počítají s vymazáním paměti démona, což by vyžadovalo vynaložení mechanické práce, které by účinně kompenzovalo porušení druhého zákona.

Minagawa a spol. vytvořili matematický model pro „démonický stroj,“ tedy systém poháněný Maxwellovým démonem. Démon měřil cílový systém, extrahoval z něj práci a nakonec mu interakce se systémem vymazala paměť. Testování ukázalo, že i v rámci kvantové mechaniky může démon porušovat druhý termodynamický zákon.

Jak přiznávají autoři studie, byl to nečekaný stejně jako vzrušující výsledek. Vyvrací předpoklad, že kvantová mechanika je odolná vůči termodynamickým démonům (demon-proof). Maxwallův démon může čarovat i ve kvantové mechanice, přesto ale podle badatelů nepředstavuje fatální hrozbu pro druhý termodynamický zákon. Kvantový exorcismus není nutný.

Video: Maxwell the Demon - 01 "Entropy for Kidz"

Video: Simple Solutions to Maxwell's Demon | Thermodynamics

Literatura

Phys.org 7. 2. 2025.

npj Quantum Information 11: 18.