TERMODINAMIKA

S.Đ.

Hlađenje

Apsolutna nula NEDOSTIŽNA?

Godine 1906. nemački hemičar Walther Nernst formulisao je teoremu o toploti, po kojoj, dok se savršeni kristal pribli- žava tački apsolutne nule po kelvinu (-273,15 °C) entropija sistema takođe pada na nulu. Tim radom je zaslužio Nobelovu nagradu za hemiju 1920. Ovo pravilo je bilo kontroverzno budući da su Albert Ajnštajn i Maks Plank međusobno raspravljali o ovome i uvodili sopstvene formulacije. Godine 1912. Nernst je odbranio svoju verziju dodavši još jednu odredbu, princip nedokučivosti, kojim se tvrdi da je apsolutna nula fizički nedostižna. Posmatrana zajedno, ova dva pravila čine savremenu treću zakonitost termodinamike.

Hlađenje kao niz koraka

Budući da su raniji argumenti bili usredsređeni isključivo na specifične mehanizme ili su bili osakaćeni nepouzdanim pretpostavkama, neki fizičari i dalje nisu uvereni u njenu valjanost. Nedavno su Jonathan Oppenheim i Lluís Masanes sa londonskog University coledge matematički izveli princip nedokučivosti i postavili granice za brzinu hla- đenja sistema, stvorivši tako opšti dokaz treće zakonitosti. „U kompjuterskim naukama ljudi sve vreme postavljaju pitanje: koliko je vremena potrebno da se obavi izračunavanje?” navosi Oppenheim. „Upravo kao što mašina za računanje obavlja radnju računanja, mašina za hlađenje hladi dati sistem.” Stoga su se on i Masanes upitali: koliko je vremena potrebno da postane hladno? Hlađenje se može zamisliti kao niz koraka: toplota se uklanja iz sistema i izbacuje u okolno okruženje, i tako uvek iznova, dok svaki put sistem postaje hladniji. Koliko će na kraju biti hladan, zavisi od toga koliko rada se može uložiti u uklanjanje toplote i veličine rezervoara u koji se uklonjena toplota izbacuje. Primenom matematičkih metoda iz kvantne teorije informacija, oni su dokazali da nijedan stvarni sistem nikada neće dostići 0 kelvina: za to bi bio potreban neograničeni broj koraka.

Bez uklonjene energije

Približavanje apsolutnoj nuli ipak jeste mogućno, a Masanes i Oppenheim su kvantifikovali korake hlađenja, uspostavivši ograničenja brzine kojom i kako dati sistem može da se hladi u ograničenom vremenu. Kako kvantno računanje napreduje, potreba za kvantfikovanjem hlađenja postaje sve izraženija. Da bi se odložili podaci, čestice u kvantnom kompjuteru dovode se u posebno energetsko stanje. Višak energije i toplota koju ona izaziva izbacuju čestice iz tog stanja, ime se oštećuju ili uništavaju pohranjeni podaci. „Nije reč samo o uklanjanju energije iz sistema”, kaže Masanes. „ Reč je i o otklanjanju neizvesnosti.” Granice postavljene ovim istraživanjem su daleko manje stroge od postojećih tehničkih ograničenja: niko do sada nije postigao temperature ili brzinu hlađenja blizu onih granica koje su identifikovali Masanes i Oppenheim. Kako tehnologija napreduje, oni se nadaju da će te granice početi da budu ostvarive i u praksi. „Taj rad je značajan pošto je treća zakonitost jedna od osnovnih stvari u savremenoj fizici”, navodi Ronnie Kosloff sa Hebrew univerziteta u Jerusalimu. „On povezuje termodinamiku, kvantnu mehaniku i informatičku teoriju, što postaje mesto susreta mnogih stvari”.

S.Đ.

Kompletni tekstove sa slikama i prilozima potražite u magazinu
"PLANETA" - štampano izdanje ili u ON LINE prodaji Elektronskog izdanja
"Novinarnica"