Maailman pienimmät lämpövoimalat

Okei, mun täytyy kertoa sulle jotain, mikä räjäytti tajunnan täysin. Kuvittele, että katsot yhtä atomia, joka on vangittu kahden peilin väliin. Se imee koko ajan sisäänsä ja sylkee ulos valohiukkasia. Kuulostaa yksinkertaiselta, eikö?

No, fyysikoiden mukaan tämä pieni atomijärjestelmä toimii käytännössä kuin minikokoinen lämpövoimala.

Ja nyt tulee se todella hurja juttu.

Tutkijat julkaisivat juuri paperin, jossa he osoittavat, että osa tästä "jätevalosta" ei ole ollenkaan jätettä. Se kantaa edelleen käyttökelpoista energiaa. Perinteisessä fysiikassa tuota karkaavaa valoa kutsuttaisiin "lämmöksi" – epäjärjestyneeksi, hyödyttömäksi energiaksi, joka vain siroaa ympäristöön. Mutta kvanttimaailmassa rajat ovat huomattavasti sumeammat.

Miksi tämä on tärkeää?

Mennäänpäs hetki taaksepäin. Termodynamiikka – se fysiikan haara, joka käsittelee lämpöä ja energiaa – syntyi alun perin selittämään höyrykoneita ja muita suuria koneita. Se kertoo, miten energia virtaa ja miksi osa siitä väistämättä "katoaa" jätenä.

Kvanttifyysikka taas tutkii atomien ja hiukkasten pientä maailmaa. Nämä kaksi tutkimusalaa kehittyivät täysin erikseen, eivätkä ne oikeastaan tule toimeen keskenään.

Mutta asia on tämä: nyt rakennamme koneita, jotka koostuvat vain muutamista atomeista ja valohiukkasista. Ja yhtäkkiä vanhat säännöt eivät enää pädekään aivan odotetulla tavalla.

Baselin yliopiston tutkimusryhmä on selvittänyt, mitä tapahtuu, kun atomia ontossa kaviteetissa käsitellään kvanttijärjestelmänä samalla kun ympäröivää valoa käsitellään klassisesti. He halusivat tietää: missä menee raja "hyödyllisen työn" ja "jätteen" välillä tässä erikoisessa välimuodossa?

Yllättävä löytö

Tässä se, mitä he huomasivat. Kun he seurasivat tarkasti, minne energia menee kvanttimalleissaan, he havaitsivat, että osa karkaavista fotoneista – sellaisista, joita kaikki kutsuisivat "jätteeksi" – pystyy edelleen tekemään hyödyllistä työtä muille kvanttijärjestelmille. Tämä ei vastannut sitä, mitä perinteinen teoria ennusti.

Ajattele asiaa toisella tavalla. Kuvittele, että yrität käyttää pientä kvanttilaitetta, ja kaikki sanovat: "Anteeksi, tuo lämpö on vain kadonnut, sitä ei voi käyttää." Mutta oikeasti, oikeissa olosuhteissa osa tuosta "jätteestä" on edelleen käyttökelpoista. Se on kuin olisit huomannut, että olisit voinut koko ajan kierrättää roskat eikä heittää niitä kaatopaikalle.

Mutta tässä on se todella siisti juttu. Heidän matemaattinen kehikko ennustaa, että kvantti-ilmiöt voivat vähentää emittoituvan valon fluktuatioita. Vähemmän satunnaisuutta, enemmän vakautta. Kenelle tahansa, joka yrittää rakentaa kvanttitietokoneita tai äärimmäisen tarkkoja sensoreita, tämä on melko iso juttu.

Mitä tämä voisi tarkoittaa?

Kuvittele kvanttimetrologiaa – se on hienompi termi kvantti-ilmiöiden hyödyntämiselle uskomattoman tarkkojen mittausten tekemiseen. Ehkä yrität havaita gravitaatioaaltoja tai rakentaa maailman herkimpiä ilmaisimia. Nämä järjestelmät ovat tunnetusti hauraita; lämpöhäiriöt voivat tuhota ne.

Mutta entä jos oikeissa olosuhteissa lämpö auttaakin sen sijaan että haittaisi? Entä jos osa tuosta "kohinasta" itse asiassa tasoittaisi asioita?

Baselin ryhmä osoittaa, että raja lämmön ja hyödyllisen työn välillä saattaa olla paljon joustavampi kuin ajattelimme – etenkin kvanttitasolla. Ja jos tuo raja on joustava, ehkä voimme suunnitella kvanttikoneita, jotka puristavat viimeisenkin energiapisaran järjestelmästä sen sijaan, että antaisivat niin paljon karata.

Isompi kuva

Rehellisesti sanottuna pidän näistä asioista kiehtovina, koska ne muistuttavat meitä siitä, että fysiikan intuitiomme – syntyneet kokemuksistamme suuressa, klassisessa maailmassa – eivät usein päde, kun asiat käyvät todella pieniksi. Lämpö ei ole aina jätettä. Järjestys ei aina katoa. Ne kategoriat, joilla järjestämme todellisuutta, ovat ihmisen keksintöjä, ja joskus luonto on eri mieltä.

Nämä pienet kvanttimoottorit eivät ehkä pyöritä autoasi lähiaikoina. Mutta ne opettavat meille jotain syvällistä energiasta, informaatiosta ja niistä outosäännöistä, jotka hallitsevat universumimme pienimpiä nurkkauksia. Ja rehellisesti? Se on aika jännittävää.

Lähde: ScienceDaily — Linkki alkuperäiseen artikkeliin