De bloginhoud met markdown-opmaak
Oké, ik wil dat je je samen met mij iets voorstelt.
Weet je hoe, als je een hete kop koffie inschenkt, de warmte altijd naar buiten stroomt? Het verspreidt zich in de koelere lucht eromheen. Altijd. Geen uitzonderingen, toch? Dat is de tweede wet van de thermodynamica — entropie, de neiging van het universum naar wanorde, neemt altijd toe. Warmte stroomt van heet naar koud. Einde verhaal.
Behalve… wat als ik je vertel dat wetenschappers net een manier hebben gevonden om warmte achterwaarts te laten stromen?
Ik weet het. Mijn brein maakte ook een klein salto toen ik hier voor het eerst over las.
De coole (hete?) wetenschap erachter
Dit is het gekke: een internationaal team van onderzoekers heeft aangetoond dat onder zeer specifieke kwantumcondities je warmte daadwerkelijk van een koeler gebied naar een warmer gebied kunt laten stromen. Dat is alsof je een rivier bergopwaarts ziet stromen. Dat zou niet moeten gebeuren. Het universum heeft regels, mensen!
Hoe hebben ze dit voor elkaar gekregen? Ze maakten gebruik van een van de meest verbijsterende kenmerken van de kwantumfysica: superpositie. Je kent de basis waarschijnlijk wel — kwantumdeeltjes kunnen tegelijkertijd in meerdere toestanden bestaan totdat je ze observeert. Dit team gebruikte die eigenschap om iets te creëren dat "onbepaalde causale volgorde" (ICO) wordt genoemd, wat precies zo vreemd klinkt als het is.
Zie het zo: in plaats van dat A gebeurt, en daarna B — of B en dan A — doet het kwantumsysteem als het ware… beide tegelijkertijd. De opstelling "weet" eigenlijk nooit welke kant heet is en welke kant koud is, tot het allerlaatst. En in die onzekerheid gebeurt er magie (nou ja, fysica).
Maak kennis met Maxwell's Demon — de kwantumversie
De onderzoekers lieten zich daadwerkelijk inspireren door een beroemd gedachte-experiment dat James Clerk Maxwell in 1867 bedacht. Hij stelde zich een kleine "demon" voor die aan een scheiding tussen twee gaskamers zit — één heet, één koud. Dit kleine wezentje zou theoretisch deeltjes kunnen sorteren, koude deeltjes naar de hete kant laten drijven en hete deeltjes blokkeren om de koude kant binnen te dringen. In theorie zou je de entropie verminderen. Wat de tweede wet zou schenden.
Maar hier is het punt: om dit daadwerkelijk te laten werken zonder de fysica te breken, moet het geheugen van die demon af en toe gewist worden. Zodra je de energie meerekent die nodig is om dat geheugen te wissen, gaat de entropie weer omhoog. Het universum houdt zijn boekhouding in evenwicht.
Dit nieuwe onderzoek neemt dat concept en geeft het een kwantum-upgrade. Ze noemen het een kwantumschakelaar — een opstelling waarin een qubit (het kwantum-equivalent van een reguliere computerbit) in essentie tegelijkertijd in een "0"- en "1"-toestand kan zijn, en daarmee de volgorde bepaalt waarin dingen gebeuren. Door die kwantum-onzekerheid wordt de tweede wet… laten we zeggen, zachtjes overtuigd om iets te versoepelen.
Het op de proef stellen
Nu wordt het nog cooler (woordspeling absoluut beoogd). Dit waren niet alleen wiskundige overpeinzingen. Het team bouwde daadwerkelijk een echt experiment met — wacht maar — een lichtbundel.
Ze splitsten een fotonenbundel om superpositie te creëren, en arrangeerden de twee resulterende subbundels om verschillende ordeningen van twee deeltjesreservoirs te representeren. Het doel? Kijken of warmte in de praktijk echt achterwaarts kon stromen.
En weet je wat? Het werkte. Hun experimentele resultaten kwamen met meer dan 99% nauwkeurigheid overeen met theoretische voorspellingen. Negennegentig procent! Dat is praktisch een gouden medaille in de fysica.
Waarom zou je hierom geven?
Afgezien van de pure "whoa, we hebben de fysica gebroken"-opwinding, heeft dit enkele serieus interessante