Datum: 23. prosince 2025

Zdroj: Univerzita v Basileji

Souhrn: Před více než 200 lety ukázal hrabě Rumford, že teplo není záhadná substance, ale něco, co lze nekonečně generovat prostřednictvím pohybu. Tento vhled položil základy termodynamiky, pravidlům, která řídí energii, práci a neuspořádanost. Nyní výzkumníci na Univerzitě v Basileji posouvají tato pravidla do podivného světa kvantové fyziky, kde se hranice mezi užitečnou energií a náhodným pohybem stává nejistou.

Historie pozorování hraběte Rumforda

V roce 1798 učinil důstojník a fyzik Benjamin Thompson (také známý jako hrabě Rumford) jednoduché, ale mocné pozorování, když sledoval, jak se ve městě Mnichov vrtají dělové hlavně. Metal se během tohoto procesu neustále zahříval, což vedlo k jeho závěru, že teplo není fyzická substance. Místo toho je možné ho nekonečně produkovat prostřednictvím mechanického tření.

Byl jsem zvědavý na tuto myšlenku, a tak hrabě Rumford umístil dělové hlavně do vody a změřil, jak dlouho trvá, než voda začne vařit. Jeho měření ukázala, že samotný pohyb může generovat velké množství tepla. Takové experimenty položily základy termodynamiky v 19. století. V počátcích hrálo toto nové pole klíčovou roli v průmyslové revoluci tím, že vysvětlilo, jak lze teplo efektivně přetvářet na užitečnou práci, jako je pohon parních strojů.

Základní zákony energie a neuspořádanosti

Dnes jsou zákony termodynamiky základní znalostí pro vědce. Uvádějí, že v uzavřeném systému zůstává celkové množství energie stejné, ať už se projevuje jako teplo nebo práce. Také popisují entropii, míru neuspořádanosti, která v průběhu času nikdy neklesá.

Tyto principy sice platí v běžných situacích, ale problémy nastávají, když se vědci pokoušejí použít je na extrémně malé systémy řízené kvantovou fyzikou. V této měřítku se běžné myšlenky o teple a práci začínají rozmazávat.

Kvantová výzva klasické fyzice

Výzkumníci na Univerzitě v Basileji, vedení profesorem Patrickem Pottsem, vyvinuli nový přístup k definování termodynamických veličin pro určité kvantové systémy. Jejich nálezy byly nedávno publikovány v odborném časopise Physical Review Letters.

„Problém, který máme s termodynamickým popisem kvantových systémů, je, že v těchto systémech je vše mikroskopické. To znamená, že rozlišení mezi prací, což je užitečná makroskopická energie, a teplem, nebo neuspořádaným mikroskopickým pohybem, již není přímočaré,“ vysvětluje doktorand Aaron Daniel.

Laserové světlo v dutině

Aby prozkoumali tuto výzvu, tým studoval dutinové rezonátory. Tyto systémy zachycují laserové světlo mezi dvěma zrcadly, což způsobuje, že se světlo odráží tam a zpět, dokud část z něj nakonec neunikne.

Laserové světlo se liší od světla produkovaného žárovkami nebo LEDkami, protože jeho elektromagnetické vlny se pohybují v dokonalé synchronizaci. Když laserové světlo prochází dutinou naplněnou atomy, tato synchronizace nazývaná koherence může být narušena. Výsledkem je, že světlo se může stát částečně nebo plně nekoherentním (což odpovídá neuspořádanému pohybu částic). „Koherence světla v takovém laserovém dutinovém systému byla výchozím bodem našich výpočtů,“ uvádí Max Schrauwen, student bakalářského studia zapojený do této studie.

Práce s koherencí

Vědci začali tím, že objasnili, co znamená „práce“ pro laserové světlo. Jedním příkladem je schopnost nabít takzvanou kvantovou baterii, která vyžaduje koherentní světlo, jež je schopné kolektivně posouvat atomy do excitovaného stavu. Jednoduchá předpoklad by byla, že přicházející koherentní světlo vykonává práci, zatímco odcházející světlo, které ztratilo část koherence, představuje teplo.

Ale situace je subtilnější. I světlo, které se stalo částečně nekoherentním, může stále vykonávat užitečnou práci, jen méně efektivně než plně koherentní světlo. Daniel a jeho kolegové zkoumali, co se stane, pokud je počítána pouze koherentní část vycházejícího světla jako práce, zatímco nekoherentní část je považována za teplo. S touto definicí zůstávají oba zákony termodynamiky platné, což ukazuje, že rámec je konzistentní.

Důsledky pro kvantovou technologii

„V budoucnu můžeme využít naši formální teorii k zvažování jemnějších problémů v kvantové termodynamice,“ říká Daniel. Tento přístup by mohl být cenný pro vznikající kvantové technologie, včetně kvantových sítí. Může také vědcům pomoci lépe pochopit, jak běžné klasické chování vyvstává z podkladového kvantového světa.

Zdroj příběhu: Materiály poskytla Univerzita v Basileji. Upozornění: Obsah může být upraven pro styl a délku.

Odkaz na časopis: Max Schrauwen, Aaron Daniel, Marcelo Janovitch, Patrick P. Potts. Rámec termodynamiky pro koherentně řízené systémy. Physical Review Letters, 2025; 135 (22) DOI: 10.1103/zdbv-rksc