علماء الفيزياء يجدون طاقة مفيدة مختبئة في “الحرارة المهدرة” الكمومية

يساعد نهج نظري جديد على ربط فيزياء الكم بالديناميكا الحرارية الكلاسيكية من خلال توضيح ما يمكن اعتباره حرارة وعملًا مفيدًا في الآلات الكمومية الصغيرة.

عندما يتم اختزال الآلة إلى ذرة واحدة وجسيمات من الضوء، يصبح من الصعب تحديد المفاهيم الأساسية مثل الحرارة والعمل المفيد. تقع هذه المشكلة عند تقاطع الديناميكا الحرارية وفيزياء الكم، والباحثون في جامعة بازل في سويسرا طوروا إطارًا نظريًا يجمع بين الوصفين.

ظهرت الديناميكا الحرارية وفيزياء الكم لتفسير مقاييس مختلفة جدًا للطبيعة. تشكلت الديناميكا الحرارية في القرن التاسع عشر لوصف آلات مثل المحركات البخارية، بينما ظهرت فيزياء الكم في أوائل القرن العشرين لتفسير الذرات والجسيمات دون الذرية. تجمع تقنيات الكم الحديثة الآن هذه العوالم معًا لأن الأنظمة الصغيرة المبنية من الذرات والجسيمات الضوئية (الفوتونات) يمكنها امتصاص الطاقة وتحويلها وإطلاقها، وتعمل بفعالية كآلات كمومية مصغرة.

ولذلك يحتاج الفيزيائيون إلى وصف يعمل عندما يتم التعامل مع النظام بأكمله ميكانيكا الكم وأيضا في الحد شبه الكلاسيكي، حيث يبقى جزء واحد كميا بينما يمكن وصف جزء آخر بالفيزياء الكلاسيكية. في رسائل المراجعة البدنيةيقدم الباحثون في مجموعة جامعة بازل بقيادة البروفيسور باتريك بوتس منهجًا نظريًا مصممًا لجعل هذين النظامين متسقين.

ويختبر محرك كمي صغير كلا النظريتين

يقول مارسيلو جانوفيتش، باحث ما بعد الدكتوراه: “تتعلق حساباتنا بالنموذج الفيزيائي الملموس للذرة الموضوعة في تجويف بين مرآتين، حيث يمكنها امتصاص وإصدار جزيئات الضوء”. يضيف الليزر الفوتونات بشكل مستمر إلى التجويف، بينما يهرب بعض الضوء عبر المرايا العاكسة جزئيًا. يقول الباحث: “هذا مثال كتابي لما يسمى بنظام التبدد المدفوع الذي يتلقى الطاقة باستمرار ويفقدها في الوقت نفسه للبيئة”. يوفر الإعداد نموذجًا بسيطًا لدراسة الأنظمة الكمومية المفتوحة، حيث تعمل الذرة إلى حد كبير مثل محرك حراري صغير، أو في هذه الحالة، “محرك خفيف”.

كان بوتس ومعاونوه قد أظهروا سابقًا أن الفوتونات الخارجة من التجويف لا ينبغي أن تُعامل تلقائيًا على أنها “حرارة مهدرة” في الوصف الديناميكي الحراري. لا يزال بإمكان بعض الطاقة التي تحملها أداء عمل مفيد على نظام كمي آخر. يبحث البحث الجديد فيما إذا كان هذا التمييز بين الحرارة والطاقة المفيدة يظل ثابتًا مع اقتراب النموذج من الحد شبه الكلاسيكي.

علاج واحد فقط ينجو من الحد الكلاسيكي

في هذا الحد، لا تزال الذرة تمتلك مستويات طاقة كمومية منفصلة، ​​بينما يتم التعامل مع الضوء على أنه موجة كهرومغناطيسية كلاسيكية يمكن إهمال تأثيراتها الكمية. يقول جانوفيتش: “إن معالجة الضوء بشكل كلاسيكي تجعل من الأسهل بكثير تحديد أي جزء من الطاقة يمكن استخدامه لأداء العمل وأي جزء هو الحرارة المضطربة”. ومع ذلك، لكي تظل النظرية متسقة، يجب أن يتبع هذا الحد الكلاسيكي بشكل طبيعي الوصف الديناميكي الحراري الكمي الكامل.

أظهر جانوفيتش وزملاؤه رياضيًا أن نهجهم يلبي هذا المطلب. عندما يتم تصنيف جزء من الضوء المنبعث على أنه عمل، ينتقل الإطار باستمرار إلى الحد شبه الكلاسيكي. أما النهج التقليدي، الذي يتعامل مع كل الطاقة الخارجة من التجويف على أنها حرارة، فهو لا يفعل ذلك. تتنبأ حساباتهم أيضًا بشكل صحيح بكيفية تقليل التأثيرات الكمومية للتقلبات في الضوء المنبعث.

يمكن أن تكون هذه التقلبات المنخفضة مفيدة للتقنيات الكمومية لأنها تشير إلى أن الحرارة، التي عادة ما تخلق اضطرابات في الأنظمة الكمومية، يمكن أن تكون بمثابة مورد بدلاً من ذلك. أحد التطبيقات الممكنة هو إنتاج حالات ضوئية متخصصة لإجراء قياسات دقيقة بشكل خاص في علم القياس الكمي.

المرجع: “سد الفجوة بين الديناميكا الحرارية الكمية وشبه الكلاسيكية في التجويف QED” بقلم مارسيلو جانوفيتش وساندر ستامباخ وماتيو برونيللي وباتريك ب. بوتس، 11 أغسطس 2026، رسائل المراجعة البدنية.
دوى: 10.1103/y6h7-sx93

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.