يعيد الفيزيائيون كتابة الديناميكا الحرارية لعصر الكم

ابتكر الباحثون طريقة جديدة لتحديد مفاهيم الديناميكا الحرارية في الأنظمة الكمومية المجهرية، حيث تبدأ الفروق التقليدية بين الحرارة والشغل في التلاشي.

الباحثون في جامعة بازل لقد قدموا طريقة جديدة لتطبيق مبادئ الديناميكا الحرارية على الأنظمة الكمومية الصغيرة جدًا.

تعود قصة الديناميكا الحرارية إلى عام 1798، عندما درس الضابط والفيزيائي بنيامين طومسون (المعروف أيضًا باسم الكونت رومفورد) حفر براميل المدفع في ميونيخ وأدرك أن الحرارة ليست مادة فيزيائية ولكن يمكن إنتاجها إلى ما لا نهاية من خلال الاحتكاك الميكانيكي.

لاستكشاف هذه الفكرة، وضع رومفورد البراميل المسخنة في الماء وحدد الوقت الذي يستغرقه الماء ليغلي. ساعدت تجارب مثل هذه في نهاية المطاف في تشكيل مجال الديناميكا الحرارية في القرن التاسع عشر، وهي الفترة التي لعب فيها هذا التخصص دورًا رئيسيًا في الثورة الصناعية من خلال الكشف عن كيفية تحويل الحرارة إلى عمل مفيد في أجهزة مثل المحركات البخارية.

اليوم، تشكل القوانين الرئيسية للديناميكا الحرارية المعرفة الأساسية عبر العلوم الطبيعية. ويذكرون أن إجمالي الطاقة، التي تشمل كلاً من الحرارة والشغل، تظل ثابتة في نظام مغلق، وأن الإنتروبيا، التي تمثل الفوضى، لا يمكن أن تنخفض.

هذه القوانين صالحة بشكل عام، ولكن عند محاولة تطبيقها على أصغر الأنظمة الكمومية، سرعان ما يواجه المرء صعوبات. لقد وجد فريق من الباحثين في جامعة بازل، بقيادة البروفيسور باتريك بوتس، طريقة جديدة لتحديد الكميات الديناميكية الحرارية بشكل ثابت لبعض الأنظمة الكمومية. وقد نشرت نتائجهم مؤخرا في المجلة العلمية رسائل المراجعة البدنية.

ضوء الليزر في التجويف

“المشكلة التي نواجهها في الوصف الديناميكي الحراري للأنظمة الكمومية هي أنه في مثل هذه الأنظمة، كل شيء مجهري. وهذا يعني أن التمييز بين الشغل، وهو طاقة عيانية مفيدة، والحرارة، أو الحركة المجهرية المضطربة، لم يعد واضحًا”، يوضح طالب الدكتوراه آرون دانيال.

على سبيل المثال، ألقى دانييل وزملاؤه نظرة فاحصة على ما يسمى رنانات التجويف، حيث ينعكس ضوء الليزر الساقط ذهابًا وإيابًا بين مرآتين، وفي النهاية يخرج جزئيًا من التجويف.

على عكس الضوء المنبعث من المصباح الكهربائي العادي أو LED، يتمتع ضوء الليزر بخاصية خاصة تتمثل في أن جميع موجاته الكهرومغناطيسية تتأرجح تمامًا بخطوات ثابتة. ومع ذلك، إذا مر ضوء الليزر عبر تجويف مملوء بالذرات، فإن هذا الترابط – الذي يسمى أيضًا التماسك – يمكن أن يضطرب إلى حد أكبر أو أقل. في هذه الحالة، يصبح الضوء غير متماسك جزئيًا أو كليًا (وهو ما يتوافق مع الحركة المضطربة للجسيمات). يقول ماكس شراوين، وهو طالب بكالوريوس مشارك في المشروع: “إن تماسك الضوء في نظام تجويف الليزر هذا كان بمثابة نقطة البداية لحساباتنا”.

العمل بالتماسك

حدد الباحثون أولاً ما يقصدونه بـ “العمل” في سياق ضوء الليزر: على سبيل المثال، القدرة على شحن ما يسمى بالبطارية الكمومية. وهذا يتطلب ضوءًا متماسكًا يمكنه بشكل جماعي أن يأخذ مجموعة من الذرات إلى حالة مثارة. من أجل التبسيط، يمكن للمرء أن يفترض الآن أن ضوء الليزر المتماسك الذي يدخل التجويف قادر على القيام بالعمل، في حين أن ضوء الليزر غير المتماسك جزئيًا الخارج من التجويف ليس كذلك. في هذا الرأي، يجب أن يسمى الضوء الخارج من التجويف “حرارة”.

ومع ذلك، حتى الضوء غير المتماسك جزئيًا، من حيث المبدأ، لا يزال بإمكانه القيام ببعض الأعمال المفيدة، أقل بقليل من الضوء المتماسك تمامًا. قام دانييل وزملاؤه بالتحقيق فيما يحدث عندما يعتبر الجزء المتماسك من الضوء الخارج عملاً، ويتم التعامل مع الجزء غير المتماسك فقط على أنه حرارة. النتيجة: إذا تم تعريف الشغل بهذه الطريقة، فسيتم استيفاء كلا قانونين الديناميكا الحرارية، وبالتالي يكون النهج متسقًا.

يقول دانييل: “في المستقبل، يمكننا استخدام شكلياتنا للنظر في مشاكل أكثر دقة في الديناميكا الحرارية الكمومية”. وهذا مناسب، على سبيل المثال، للتطبيقات في مجال التقنيات الكمومية مثل الشبكات الكمومية. علاوة على ذلك، يمكن دراسة التحول من السلوك الكلاسيكي إلى السلوك الكمي للأنظمة العيانية بشكل أفضل بهذه الطريقة.

المرجع: “الإطار الديناميكي الحراري للأنظمة المدفوعة بشكل متماسك” بقلم ماكس شراوين وآرون دانيال ومارسيلو جانوفيتش وباتريك ب. بوتس، 24 نوفمبر 2025، رسائل المراجعة البدنية.
دوى: 10.1103/zdbv-rksc

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.