НОВОСТИ: IT-технологии | Наука | Образование

2000-летняя тайна: ученые обнаружили парадоксальный эффект квантового охлаждения

2024-10-15 17:51 Наука Научные исследования
Ученые из Тринити-колледжа в Дублине обнаружили эффект Мпембы в квантовых системах, показав, как определенные преобразования могут парадоксальным образом ускорить охлаждение. Этот прорыв может принести пользу будущим квантовым технологиям за счет повышения эффективности охлаждения и снижения потерь энергии.
Исследователи из Тринити-колледжа в Дублине только что описали существование парадоксального эффекта Мпембы в квантовых системах. Первоначально исследованное из чистого любопытства, открытие перекинуло мост между наблюдениями Аристотеля два тысячелетия назад и современным пониманием и открыло дверь целому ряду «крутых» — и «охлаждающих» — следствий.

Эффект Мпембы наиболее известен как озадачивающее явление, когда горячая вода замерзает быстрее холодной. Наблюдения за этим нелогичным эффектом восходят к Аристотелю, который более 2000 лет назад заметил, что греки Понта использовали этот эффект в своих рыболовных практиках.

Эффект Мпембы также подогревал любопытство других великих умов на протяжении всей истории, таких как Рене Декарт и Фрэнсис Бэкон. Он продолжает оставаться предметом многочисленных статей в газетах и ​​регулярно всплывает как любопытный фокус в различных ситуациях, например, в кулинарном конкурсе MasterChef, где участники пытались извлечь выгоду из эффекта, чтобы доставить замороженные деликатесы быстрее, чем это казалось возможным в испытаниях на десерты.

Квантовое понимание эффекта Мпембы

И теперь мы можем сказать, что этот странный эффект гораздо более распространен, чем мы ожидали ранее, поскольку команда Trinity QuSys под руководством профессора Джона Гулда из Школы физики только что опубликовала увлекательную исследовательскую работу в журнале Physical Review Letters . В статье описывается их прорыв в понимании эффекта в совершенно ином — и чрезвычайно сложном — мире квантовой физики.
Профессор Гулд сказал: «Эффект Мпембы» получил свое название от Эрасто Мпембы, который, будучи школьником в 1963 году, делал мороженое на уроках домоводства в Танзании. Мпемба не стал дожидаться, пока остынет его горячая смесь для мороженого, прежде чем положить ее в холодильник, и, что неудивительно, был озадачен, обнаружив, что она замерзла раньше, чем все более холодные образцы его одноклассников.
«Он указал на это своему учителю, который высмеял его за незнание физики — например, закон охлаждения Ньютона гласит, что скорость охлаждения объекта пропорциональна разнице температур между объектом и его окружением. Однако Мпемба убедил приглашенного профессора — Дениса Особорна из Университета Дар-эс-Салама — проверить то, что он увидел, и эта пара опубликовала статью, которая действительно подтвердила странный эффект».

Хотя эффект Мпембы до сих пор не полностью изучен (его наличие в макроскопическом масштабе является предметом горячих споров), он гораздо более очевиден в микроскопическом масштабе, где физики используют теорию квантовой механики для описания природы.

Объяснение квантового эффекта Мпембы

Квантовый эффект Мпембы в последнее время стал трендовой темой, но множество вопросов повисло в воздухе; например, как квантовый эффект соотносится с исходным эффектом? И можем ли мы построить термодинамическую структуру, чтобы лучше понять это явление?

Прорыв исследовательской группы QuSys дает ответы на некоторые ключевые вопросы.
Профессор Гулд сказал: «Мы являемся экспертами в области интерфейса между неравновесной термодинамикой и квантовой теорией, и, таким образом, у нас есть правильный набор инструментов для решения этих вопросов. Наша работа по сути дает рецепт для создания эффекта Мпембы в квантовых системах, где может быть выполнено физическое преобразование, которое эффективно «нагревает» квантовую систему. Это преобразование квантовой системы затем парадоксальным образом позволяет ей расслабляться или «охлаждать» экспоненциально быстрее, используя уникальные особенности квантовой динамики».
Используя инструментарий неравновесной квантовой термодинамики, команда успешно преодолела разрыв между наблюдениями Аристотеля двухтысячелетней давности и нашим современным пониманием квантовой механики.

И теперь это открывает двери для многих вопросов, связанных с исследованиями и приложениями.
Профессор Гулд добавил: «Хотя мы изначально взялись за этот проект из-за интеллектуального любопытства, он заставил нас задать несколько фундаментальных вопросов о взаимосвязи между законами термодинамики, описывающими охлаждение, и квантовой механикой, описывающей реальность на фундаментальном уровне. В настоящее время мы разрабатываем геометрический подход к проблеме, который, как мы надеемся, позволит нам понять различные типы эффектов Мпембы в той же математической структуре».
«То, что вы на самом деле имеете в этом действительно «крутом» эффекте Мпембы, — это способ ускорить охлаждение, а охлаждение квантовых систем абсолютно необходимо для приложений в квантовых технологиях. Имея это в виду, я уверен, что некоторые из инструментов, которые мы разрабатываем для исследования этого фундаментального эффекта, будут иметь первостепенное значение для понимания таких вещей, как тепловые потоки, и того, как минимизировать рассеивание в будущих технологиях».
Источник: Теги: эффект Мпембы, квантовая система