Verdens minste varmekjerrer

Jeg må fortelle deg om noe som fullstendig snudde opp ned på måten jeg tenker på fysikk.

Tenk deg dette: Du har et atom som sitter fastklemt mellom to speil. Det absorberer hele tiden lyspartikler og spyttet dem ut igjen. Virker ganske enkelt, ikke sant? Vel, ifølge fysikere er denne lille atomoppstillingen i bunn og grunn en mini-varmekjerre.

Men her kommer det virkelig ville.

Hvorfor dette betyr noe

La meg ta et steg tilbake. Termodynamikk — altså fysikken som handler om varme og energi — ble i hovedsak utviklet for å forklare dampmaskiner og andre store maskiner. Den forteller oss hvordan energi flyter og hvorfor noe av den uunngåelig blir "borte" som spillvarme.

Kvantefysikk derimot, handler om den bitte lille verdenen til atomer og partikler. Disse to fagfeltene utviklet seg helt atskilt fra hverandre, og ærlig talt — de kommer ikke alltid så godt overens.

Men her er greia: Nå bygger vi maskiner som bare består av noen få atomer og lyspartikler. Og plutselig passer ikke de gamle reglene like godt som vi trodde.

Forskerne ved Universitetet i Basel har studert hva som skjer når du behandler et atom i et hulrom som et kvantesystem, mens lyset rundt behandles på klassisk vis. De ville finne ut: Hvor går grensa mellom "nyttig arbeid" og "spillvarme" i dette merkelige grenselandet?

Den overraskende oppdagelsen

Her er hva de fant. Da de nøye fulgte med på hvor energien tok veien, oppdaget de at noen av fotonene som slapp unna — de alle andre ville kalt "avfall" — faktisk fremdeles kan utføre nyttig arbeid på andre kvantesystemer. Det er ikke det den vanlige teorien hadde spådd.

La meg forklare det på en annen måte. Tenk deg at du prøver å drive en liten kvantedings, og alle sier "dessverre, den varmen er borte, du kan ikke bruke den." Men egentlig, under de rette forholdene, er noe av det "avfallet" fremdeles gyldig. Det er som å oppdage at du egentlig kunne ha resirkulert søpla di hele tida.

Men her kommer det virkelig stilige. Den matematiske modellen deres forutsier faktisk at kvanteeffekter kan redusere svingningene i det utsendte lyset. Mindre tilfeldighet, mer stabilitet. For alle som prøver å bygge kvantedatamaskiner eller ultranøyaktige sensorer, er dette ganske stort.

Hva dette kan bety

Tenk på kvantemetrologi — det er en fancy måte å si at vi bruker kvanteeffekter til å lage utrolig presise målinger. Kanskje du prøver å oppdage gravitasjonsbølger eller bygge verdens mest følsomme detektor. Disse systemene er beryktet for å være skjøre; varmestøy kan ødelegge dem.

Men hva om, under de rette forholdene, varmen faktisk hjelper istedenfor å skade? Hva om noe av den "støyen" egentlig jevner ting ut?

Basel-teamet viser oss at grensa mellom varme og nyttig arbeid kanskje er mye mer fleksibel enn vi trodde — spesielt på kvanteskala. Og hvis den grensa er fleksibel, kan vi kanskje designe kvantemaskiner som presser ut absolutt siste dråpe energi fra systemet, istedenfor å la så mye forsvinne.

Det store bildet

Ærlig talt syns jeg dette er skikkelig fascinerende fordi det minner oss på at intuisjonen vår om fysikk — som vi har utviklet gjennom et helt liv i en verden av store, klassiske gjenstander — ofte ikke stemmer når ting blir veldig små. Varme er ikke alltid avfall. Orden går ikke alltid tapt. Kategoriene vi bruker til å organisere virkeligheten er menneskelige oppfinnelser, og noen ganger har naturen andre ideer.

Disse bitte små kvantemotorene kommer neppe til å kjøre bilen din med det første. Men de lærer oss noe dyptgående om energi, informasjon og de merkelige reglene som styrer de minste krokene av universet vårt.

Og det? Det er ganske spennende.

Kilde: ScienceDaily