Πριν από λίγο καιρό, στο διαδικτυακό περιοδικό επιστήμης QUANTA, στο podcast «The joy of wh(y)», δημοσιεύθηκε η συνέντευξη που έδωσε η θεωρητική φυσικός Nicole Yunger Halpern, συγγραφέας του βιβλίου Κβαντικό ατμοπάνκ, στον Steven Strogatz σχετικά με το τι μπορεί να σημαίνουν οι νόμοι της θερμοδυναμικής και οι έννοιες του έργου, της ενέργειας και της απόδοσης στην εποχή της κβαντικής μηχανικής. Πάρτε μια γεύση εδώ:
----------------------
Οι αρχές της θερμοδυναμικής αποτελούν τους ακρογωνιαίους λίθους της κατανόησης της φυσικής. Ανακαλύφθηκαν όμως στην εποχή της ατμοκίνητης τεχνολογίας, κατά την περίοδο της Βιομηχανικής Επανάστασης, πολύ πριν ονειρευτεί κανείς την κβαντική μηχανική. Σε αυτή την ανάρτηση, η Nicole Yunger Halpern μιλάει στον Steven Strogatz για το πώς οι φυσικοί σήμερα ερμηνεύουν εκ νέου έννοιες όπως το έργο, η ενέργεια και η πληροφορία για έναν κβαντικό κόσμο.
S.S.: Στα μέσα του 18ου αιώνα, οι μηχανικοί αντιμετώπιζαν ερωτήματα που βρίσκονταν στην πρώτη γραμμή της Βιομηχανικής Επανάστασης: Πώς να μετατρέψουν τον ατμό σε μηχανική εργασία, να μετατρέψουν τα ορμητικά υδάτινα ρεύματα σε ηλεκτρική ενέργεια ή να απαντλήσουν νερά από τα ορυχεία. Οι έρευνες και οι παρατηρήσεις τους δημιούργησαν τα θεμέλια μιας νέας επιστήμης: της θερμοδυναμικής.
Μέχρι τις αρχές του 1900, είχαμε όχι έναν, αλλά τρεις νόμους της θερμοδυναμικής. Οι νόμοι αυτοί είναι έκτοτε πανταχού παρόντες και έχουν αποδειχθεί θεμελιώδεις για την κατανόηση της φυσικής στην καθημερινή ζωή. Καθώς όμως οι γνώσεις μας για τον φυσικό κόσμο συνεχίζουν να αυξάνονται, τα όρια αυτών των παλαιών μηχανικών εννοιών γίνονται όλο και πιο εμφανή —ιδίως καθώς πλησιάζουμε στην κβαντική κλίμακα.
Ας ξεκινήσουμε, λοιπόν, από τον τίτλο του βιβλίου σου: τι σημαίνει «ατμοπάνκ»; Οφείλω να ομολογήσω ότι δεν είμαι εξοικειωμένος με τον όρο αυτό. Ρώτησα τη σύζυγό μου καθώς οδηγούσα προς το στούντιο και μου είπε ότι γνώρισε πω υπάρχουν κοσμήματα σε στιλ ατμοπάνκ.
Ν.Υ.Η: Το «ατμοπάνκ» εμφανίζεται σε κοστούμια και σε συνέδρια, σε κοσμήματα και σε ταινίες, σε βιβλία και σε διηγήματα, παντού. Είναι την αισθητική του 1800. Εκφράζει τη βικτοριανή εποχή, με τον κόσμο να φορά γιλέκα και μεσοφόρια και ψηλά καπέλα, αλλά και την αμερικανική άγρια δύση και το Πεκίνο και την Ιαπωνία, καθώς και τις φουτουριστικές τεχνολογίες.
S.S.: Ωραία. Ας αρχίσουμε να μιλάμε για τη βικτοριανή εποχή και τις θερμοδυναμικές ιδέες που αναπτύχθηκαν σε αυτήν. Τώρα θεωρούμε όλα αυτά ως κλασική θερμοδυναμική, και αναφέρθηκα ήδη στους νόμους της. Υπάρχουν ακόμη οι έννοιες όπως το έργο, η θερμότητα, η ενέργεια, η εντροπία, ο συντελεστής απόδοσης. Πηγαίνετέ μας σε μερικές από αυτές τις ιδέες, τουλάχιστον για αρχή.
Ν.Υ.Η: Όλοι έχουμε μια ιδέα για την θερμοδυναμική, και μάλλον τη θεωρούμε δεδομένη. Ίσως αυτό να συμβαίνει επειδή η θερμοδυναμική είναι τόσο γενική. Πρόκειται για τη μελέτη της ενέργειας, τελεία και παύλα. Για τις μορφές που μπορεί να έχει η ενέργεια και οι μεταξύ τους μετασχηματισμοί.
Η θερμότητα είναι τυχαία, άναρχη ενέργεια. Είναι η ενέργεια των σωματιδίων που κινούνται τυχαία. Οι θερμικές μηχανές μετατρέπουν αυτή την τυχαία ενέργεια σε συντονισμένο, χρήσιμο έργο.
Και η θερμότητα και το έργο κατέχουν εξέχουσα θέση στους νόμους της θερμοδυναμικής. Ο αριθμός των εν λόγω νόμων έχει αυξηθεί λίγο, ανάλογα με το ποιον ρωτάτε. Μπορεί να είναι τρεις, μπορεί τέσσερις, μπορεί και πέντε.
Ο μηδενικός νόμος αναπτύχθηκε στην πραγματικότητα μετά τους τρεις πρώτους, αλλά οι επιστήμονες θεώρησαν ότι ήταν τόσο σημαντικός που έπρεπε να του δοθεί προτεραιότητα. Αυτός μας λέει, λοιπόν, ότι υπάρχουν θερμόμετρα. Αν υποθέσουμε ότι εσείς κρατάτε ένα φλιτζάνι τσάι και εγώ ομοίως, θα μπορούμε να συγκρίνουμε τις θερμοκρασίες τους. Με ποιον τρόπο; Χρησιμοποιώντας ένα θερμόμετρο.
Ο πρώτος νόμος μάς λέει ότι η συνολική ποσότητα ενέργειας στον κόσμο παραμένει σταθερή. Ο δεύτερος νόμος λέει ότι η εντροπία ενός κλειστού, απομονωμένου συστήματος παραμένει σταθερή ή αυξάνεται μόνο, τουλάχιστον κατά μέσον όρο. Και ο τρίτος νόμος λέει ότι δεν μπορούμε πραγματικά να ψύξουμε οποιοδήποτε σύστημα στη χαμηλότερη δυνατή θερμοκρασία, στο απόλυτο μηδέν, σε πεπερασμένο αριθμό βημάτων. Ε, αυτή είναι μια πολύ σύντομη ιστορία της θερμοδυναμικής.
[…]
S.S.: Σε τι είδους συστήματα εφαρμόζονται οι νόμοι της θερμοδυναμικής; Ποιοι περιορισμοί ισχύουν για αυτά τα συστήματα προκειμένου να μπορούν να εφαρμοστούν οι εν λόγω νόμοι;
Ν.Υ.Η: Λοιπόν, οι νόμοι της θερμοδυναμικής διατυπώθηκαν αρχικά από ανθρώπους που είχαν κατά νου μεγάλα κλασικά συστήματα. Δεν θεωρούσαν απαραίτητα ότι τα συστήματα αυτά αποτελούνται από πολλά, πάρα πολλά σωματίδια. Η ατομική υπόθεση δεν είχε γίνει πλήρως αποδεκτή κατά τη βικτοριανή εποχή. Ωστόσο, σκέφτονταν συστήματα που, τουλάχιστον τώρα θα αναγνωρίσουμε όλοι, αποτελούνταν από πάρα πολλά σωματίδια.
Γύρω στις αρχές του 20ού αιώνα, οι άνθρωποι ανακάλυψαν την κίνηση Brown, η οποία είναι η τυχαία κίνηση των σωματιδίων που παρατηρείται με ένα μικροσκόπιο, και αυτό τους οδήγησε να αποδεχθούν σε πολύ μεγάλο βαθμό ότι, στην πραγματικότητα, τα υλικά αποτελούνται από πολύ μικρά σωματίδια.
Εντούτοις, αυτό που με εκπλήσσει ιδιαίτερα είναι ότι οι νόμοι της θερμοδυναμικής φαίνεται να παραμένουν ισχυροί, παρότι έχουμε μάθει πάρα πολλά, ακόμη και από τις αρχές του 20ού αιώνα, σχετικά με τα μικρά συστήματα, τα βιολογικά συστήματα, τα χημικά συστήματα, ακόμη και τα κβαντικά συστήματα.
[…]
S.S.: Μέχρι τώρα μιλούσαμε από τη σκοπιά των σωματιδίων που συνεχώς αναφέρετε —τα άτομα ή τα μόρια— και των συστημάτων που αποτελούνται από τεράστιους αριθμούς σωματιδίων. Αλλά ας στραφούμε τώρα στις κβαντικές πτυχές της θερμοδυναμικής. Εννοιολογικά είναι η κύρια ιδέα ότι εδώ έχουμε πολύ λίγα σωματίδια; Ή είναι το ότι χρησιμοποιούμε κβαντικές ιδέες αντί για κλασικές;
Ν.Υ.Η: Η κβαντική θερμοδυναμική περιλαμβάνει την επέκταση της συμβατικής θερμοδυναμικής σε μικρά συστήματα, σε κβαντικά συστήματα και σε συστήματα μακράν της ισορροπίας.
[…]
Quanta Magazine, «The joy of wh(y)», Σεπτέμβριος 2024
Θα μπορέσετε να διαβάσετε όλη την πολύ ενδιαφέρουσα συνέντευξη εδώ: https://www.quantamagazine.org/can-thermodynamics-go-quantum-20240912/
