شیطان ماکسول جادوی خود را بدون نیاز به جن‌گیری کوانتومی اجرا می‌کند، مطالعه نشان می‌دهد

یک تیم از محققان دانشگاه ناگویا در ژاپن مدلی ریاضی توسعه داده‌اند که نشان می‌دهد نظریه کوانتوم می‌تواند قانون دوم ترمودینامیک را نقض کند و در عین حال سیستم‌های کوانتومی می‌توانند به گونه‌ای طراحی شوند که از آن پیروی کنند. این یافته‌ها بینش بیشتری نسبت به رابطه مبهم بین دنیای کوانتوم و ترمودینامیک ارائه می‌دهند. در حالی که نقش آنتروپی در دنیای کلاسیک واضح است، به محض اینکه به نظریه کوانتوم می‌رویم، به موضوعی با مشاجره تبدیل می‌شود. "با وجود نقش پایه‌ای آن، قانون دوم یکی از بحث‌برانگیزترین و سوءتفاهم‌شده‌ترین اصول علمی باقی می‌ماند. در مرکز این بحث پارادوکسی به نام شیطان ماکسول، یک آزمایش فکری پیشنهاد شده توسط فیزیکدان جیمز کلرک ماکسول در سال ۱۸۶۷ قرار دارد،" نویسندگان مطالعه یادداشت کرده‌اند. بر اساس قانون دوم ترمودینامیک، آنتروپی که اغلب به عنوان بی‌نظمی توصیف می‌شود، تمایل به افزایش در طول زمان در یک سیستم بسته دارد. به عبارت دیگر، همچنین بیان می‌کند که یک موتور با عملکرد تناوبی نمی‌تواند با استفاده از گرما از یک منبع تنها کار تولید کند. مقداری از حرارت باید همیشه از دست برود، تقویت کردن این ایده که زمان به یک جهت حرکت می‌کند. با این حال، در سال ۱۸۶۷، فیزیکدان جیمز ماکسول یک آزمایش فکری شامل یک شیطان خیالی در یک سیستم ارائه کرد که چالش‌های قانون دوم بود. تصور کنید یک جعبه از مولکول‌های گاز توسط یک دیوار با یک درب کوچک به دو بخش تقسیم شده‌است. معمولاً، مولکول‌ها به صورت تصادفی حرکت می‌کنند، بدون هیچ تفاوت دمایی بین دو طرف. حال، فرض کنید یک شیطان کوچک در درب ایستاده و درب را هر زمان که یک مولکول در حال حرکت سریع (گرم) نزدیک می‌شود، از سمت چپ باز می‌کند و به آن اجازه می‌دهد تا به سمت راست وارد شود. درب را زمانی که مولکول‌های در حال حرکت آهسته (سرد) نزدیک می‌شوند بسته نگه می‌دارد، اما به مولکول‌های آهسته از سمت راست اجازه می‌دهد به سمت چپ بروند. در طول زمان، سمت راست جعبه با مولکول‌های گرم‌تر پر می‌شود و سمت چپ سردتر می‌شود - ایجاد یک تفاوت دمایی بدون استفاده از انرژی. این به نظر می‌رسد که قانون دوم را نقض می‌کند، زیرا می‌توان کار را بدون افزایش آنتروپی از سیستم استخراج کرد. "این پارادکس بیش از یک قرن فیزیکدانان را به خود مشغول کرده و سوالاتی درباره جهانی بودن قانون دوم برانگیخته است،" نویسندگان مطالعه گفتند. پدیده‌هایی کوانتومی مانند برآب‌موندگی که بیان می‌کند ذره‌ای می‌تواند به طور همزمان در چندین حالت وجود داشته باشد، به نظر می‌رسد که با مفهوم افزایش آنتروپی مخالفت می‌کند. به همین دلیل است که برخی دانشمندان باور دارند قانون دوم در دنیای کوانتومی جایی ندارد. با این حال، بسیاری دیگر معتقدند که نظریه کوانتوم در واقع به توضیح عمیق‌تر آنتروپی کمک می‌کند. به این دلیل که هر گونه کاهش ظاهری در آنتروپی در یک قسمت از سیستم کوانتومی همیشه با افزایشی در جای دیگر متعادل می‌شود، اطمینان دادن به اینکه قانون دوم معتبر باقی می‌ماند. برای پرداختن به این تضاد، نویسندگان مطالعه یک مدل ریاضی سه مرحله‌ای مربوط به شیطان ماکسول ارائه داده‌اند. در اولین مرحله، شیطان یک سیستم کوانتومی را اندازه‌گیری می‌کند. سپس شیطان با یک محیط حرارتی تعامل می‌کند و کار را از سیستم استخراج می‌کند و در نهایت، حافظه شیطان به دلیل تعامل با همان محیط پاک می‌شود. نویسندگان مطالعه سپس از مفهومی به نام انتروپی فون نیومن استفاده کردند تا کار انجام شده و استخراج شده توسط شیطان را محاسبه کنند. "نتایج ما نشان داد که تحت شرایط خاصی که توسط نظریه کوانتومی مجاز است، حتی پس از در نظر گرفتن همه هزینه‌ها، کار استخراج شده می‌تواند بیشتر از کار مصرفی باشد، به نظر می‌رسد قانون دوم ترمودینامیک نقض می‌شود،" شینتارو میناگاوا، نویسنده اصلی مطالعه و دانشجوی دکترای دانشگاه ناگویا، گفت. با این حال، معادلات در مدل نشان می‌دهند که علیرغم این نقض، هنوز هم جایی برای طراحی فرآیندهای کوانتومی با احترام به قانون دوم وجود دارد. به عنوان مثال، زمانی که آنتروپی در طول یک فرآیند شروع به کاهش می‌کند، می‌توان اجزای اضافی را در سیستم کوانتومی معرفی کرد تا تعادل ترمودینامیکی را بازیابی کند. "به عبارت دیگر، نظریه کوانتوم می‌تواند بالقوه قانون دوم ترمودینامیک را بشکند، اما واقعاً نیازی به این کار ندارد. این یک همگرایی قابل توجه بین مکانیک کوانتومی و ترمودینامیک برقرار می‌کند: آن‌ها به طور مستقل باقی می‌مانند اما هرگز به طور اساسی در تضاد نیستند،" حامد محمدی، یکی از نویسندگان مطالعه، افزود. این مطالعه در ژورنال npj Quantum Information منتشر شده است.