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: New quantum theory heats up thermodynamic research
PHYS ORG.SCIENCE X
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La nouvelle
théorie quantique ravive la recherche thermodynamique
par
University of Nottingham
PHOTO/Illustration
d'une théorie basée sur le mélange de deux gaz quantiques. Crédit: Beth Morris,
PhD en mathématiques de l'Université de Nottingham
Les
chercheurs ont développé une nouvelle version quantique d'une expérience de
pensée d’ordre thermodynamique vieille
de 150 ans qui pourrait ouvrir la voie au développement de moteurs thermiques
quantiques.
Des
mathématiciens de l'Université de Nottingham ont appliqué leur nouvelle théorie quantique au paradoxe de
Gibbs et ont démontré une différence fondamentale dans les rôles de
l'information et du contrôle entre la thermodynamique classique et la quantique. Leur recherche a été publiée
aujourd'hui dans Nature Communications.
Le paradoxe
classique de Gibbs a conduit à des informations cruciales pour le développement
de la thermodynamique précoce et souligne la nécessité de prendre en compte le
degré de contrôle d'un expérimentateur sur un système.
L'équipe de
recherche a développé une théorie basée sur le mélange de deux gaz quantiques -
par exemple, un rouge et un bleu
,restant identiques par ailleurs - et
lesquels commencent séparés puis se mélangent dans une boîte. Dans l'ensemble,
le système est devenu plus uniforme, ce qui s’est quantifié par une augmentation
de l'entropie. Si ensuite l'observateur met ( dans la boite vide) des verres violets et répète le processus les gaz se
ressemblent, il semble donc que rien ne change. Dans ce cas, le changement
d'entropie est nul.
Les auteurs
principaux de l'article, Benjamin Yadin et Benjamin Morris, expliquent: «Nos
résultats semblent étranges parce que nous nous attendons à ce que des
quantités physiques telles que l'entropie gardent un sens indépendamment de
celui qui les calcule. Afin de résoudre le paradoxe, nous devons réaliser que
la thermodynamique nous dit les choses utiles qui peuvent être faites par un expérimentateur
qui a des appareils avec des capacités spécifiques. Par exemple, un chauffage
d’ un gaz se dilatant peut être utilisé pour entraîner un moteur.
Pour extraire le travail (énergie utile) du processus de mélange, vous aurezez
besoin d'un appareil qui peut "voir" la différence entre les gaz
rouges et bleus. "
Classiquement,
un expérimentateur «ignorant», qui voit les gaz comme indiscernables, ne peut
pas extraire le travail du processus de mélange. La recherche montre que dans
le cas quantique, bien qu'il soit incapable de faire la différence entre les
gaz, l'expérimentateur ignorant peut toujours extraire du travail en les
mélangeant.
Compte tenu
de la situation où le système devient grand, les cas où le comportement quantique
disparaîtrait normalement, les chercheurs ont constaté que l'observateur
ignorant quantique peut extraire autant de travail que s'il avait été capable
de distinguer les gaz bleus des rouges ..Le
contrôle de ces gaz avec un gros dispositif quantique se comporterait
complètement différemment d'un moteur thermique macroscopique classique. Ce
phénomène résulte de l'existence d'états spéciaux (multiples) de superposition
qui codent plus d'informations que ce qui est classiquement disponible.
Le
professeur Gerardo Adesso a déclaré: «Malgré un siècle de recherche, il y a
tellement d'aspects que nous ne connaissons pas ou que nous ne comprenons pas
encore au cœur de la mécanique quantique. Une ytelle ignorance aussi
fondamentale, cependant, ne nous empêchera pas de mettre a profit ce que notre travail montre
Nous
espérons que notre étude théorique pourra inspirer des développements
passionnants dans le domaine en plein essor de la thermodynamique quantique et
catalyser de nouveaux progrès dans la course en cours aux technologies
quantiques améliorées.
«Les moteurs
thermiques quantiques sont des versions microscopiques de nos radiateurs et
réfrigérateurs de tous les jours, qui peuvent être réalisés avec juste un ou
quelques atomes (comme cela a déjà été vérifié expérimentalement) et dont les
performances peuvent être améliorées par de véritables effets quantiques tels
que la superposition et l’enchevêtrement. voir notre paradoxe quantique de
Gibbs joué dans un laboratoire exigerait un contrôle exquis sur les paramètres
du système, ce qui pourrait être possible dans des systèmes de «réseau optique»
affinés ou avec des condensats de Bose-Einstein - nous sommes actuellement en
train de concevoir de telles propositions en collaboration avec des groupes
expérimentaux. "
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Quantum collaboration gives
new gravity to the mysteries of the universe
More information: Nature Communications (2021). DOI:
10.1038/s41467-021-21620
Journal information: Nature Communications
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MES COMMENTAIRES
·
Je m’abstiendrai de revenir sur la thermodynamique classique,
sur la fonction énergie libre de GIBBS ; sur
ce soi-disant paradoxe selon les auteurs. Il y a longtemps qu’il a été réfuté et résolu (on obtient de nouveau le fait que
le mélange de gaz parfaits différents est bien irréversible ble)…
·
.Ce qui m’intéresse
est l’usage qu’ils font de la notion de particules quantiques.. car ses
fondateurs ont insisté sur le fait que la multiplicité des états ne correspond pas à
une multiplicité des particules mais à
une multiplicité des positions que celles- ci peuvent prendre …..Positions
assorties de leur coefficient de probabilité … le concept
de rouge ou de bleu ne définit qu'un état unique et ne
devient quantiquement utilisable que s’
il est accompagné de son équation de SCHRODINGER ;le bleu ou le rouge deviennent un peu comme le célèbre chat et
les mélanger dans une boite passe par le
calcul d’ une probabilité composée ( c’
est a dire le produit de deux «
nuages de probabilité »).
Je me demande alors si le fait de rechercher une expérimentation ( pour des applications possibles a des sélectionneurs et des moteurs
quantiques ) reste pertinent !
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