Квантовая термодинамика

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Эту статью следует викифицировать. Пожалуйста, оформите её согласно общим правилам и указаниям.

Квантовая термодинамика — фундаментальная теория, описывающая процессы тепло и массопереноса в макроскопических квантовых системах (МКС), подобных, например, мазерам и лазерам.

Основополагающим понятием квантовой термодинамики является понятие «абсолютная квантовотермодинамическая температура», способная иметь как положительные, так и отрицательные значения.

Впервые понятие отрицательной абсолютной температуры было введено в начале 1950-х годов молодыми американскими физиками Н. Рамзеем, И. Парселом и Р. Паундом для описания состояний двухуровневых спин-систем.

Отрицательная абсолютная температура не ниже абсолютного нуля, а выше бесконечной температуры. Долгое время считалось, что данная температура может пониматься только как рассчетная функция, и в этом видели ее принципиальное отличие от классической термодинамической температуры.

Однако в середине 1970-х годов отрицательная абсолютная температура гелий-неонового лазера была экспериментально измерена (Шардыко С. К. Измерение отрицательной абсолютной температуры с помощью оптического квантового усилителя // Фазовые превращения и энергонапряженные процессы. Свердловск, 1988, с. 116—126).

Принципы квантовой термодинамики:

(1) МКС могут быть резервуарами теплоты — квантовыми термостатами: МКС-нагревателем и МКС-холодильником. Квантовотермодинамические равновесные состояния МКС описываются собственными значениями оператора квантовотермодинамической температуры ^T.

(2) МКС описываются волновыми функциями состояния. Взаимодействие нескольких двухуровневых МКС образует «идеальный лазер» — МКС-машину, способную находится в нескольких состояниях с разными температурами — одновременно, то есть согласно неопределенности температуры DT и времени Dt,

DTD > S1 (1)

где S1 = h/k = 4,7993×10^-11 кельвин×секунда, h — постоянная Планка, k — постоянная Больцмана. Идеальный лазер реализуют замкнутый цикл квантовотермодинамических переходов, в котором выполняется закон сохранения энергии.

(3) Энтропия квантуется. Две МКС (МКС-термостат и МКС-машина) обмениваются минимальным количеством энергии, которое равно E = kT. Переход МКС-машины из одного собственного состояния в другое возможет только при наличии МКС-холодильника, поглощающего энтропию квантами. Минимальное значение кванта энтропии равно k — постоянной Больцмана.

4) Квантовотермодинамическая адиабатическая стенка отделяет МКС-холодильник от МКС-нагревателя. В силу соотношения неопределенностей энергии DE и температуры DT

                   DE/DT > k            (2)

должна быть «толщиной» не менее DT. Соотношение (2) было введено Г. Фешбахом в форме DE/DT* > 1, где температура выражена в энергетических единицах T*. Из соотношения неопределенностей, выраженного в форме (2), можно получить оператор температуры в явном виде

               T-1 = -ik d/dE.                  (3)

(5) Передача энергии между двумя МКС происходит при переходе систем из одного стационарного состояния в другое. «Теплопередача» от МКС-термостата к МКС-машине или наоборот есть стохастический процесс, реализуемый квантовотермодинамическим скачком на собственной резонансной частоте нагревателя и возможен благодаря тождественности их состояний.

(6) МКС-машина передает МКС-холодильнику энергию и энтропию на резонансной частоте холодильника.

(7) Идеальный лазер обратим. Он может работать в режиме квантового теплового насоса. Абсолютный нуль недостижим. В силу квантовотермодинамической неопределенности времени (1) температура МКС стремится не к абсолютному нулю, а к предельно низкой температуре.

Следствия квантовой термодинамики:

Квантовая термодинамика приходит к парадоксальным выводам. Например, она требует существования предельно низкой температуры конденсированного вещества, не совпадающей с абсолютным нулем температур. Для меди предельно низкая температура равна 10^-8 кельвина. Существование этой температурной щели обусловлено квантованием энтропии. Минимальной величиной энтропии — квантовом энтропии является постоянная Больцмана. Квантовая термодинамика переопределяет известную теорему Нёрнста о том, что энтропия конденсированного вещества при абсолютном нуле температур равна нулю. Она равна половине постоянной Больцмана на каждое нулевое колебание среды.

Температурная «щель» между предельно низкой температурой и абсолютным нулем температур допускает возможность неравновесного перехода через ноль в область отрицательных температур, которые реализуются волнами отрицательной энергии с отрицательной частотой. Важными принципами квантовой термодинамики являются квантовотермодинамические соотношения неопределенностей температуры DT и времени Dt (1), температуры DT и энергии DE (2), температуры DT и координаты Dx

                  DTDx > S2,              (3)   

где S2 = hC/k = 1,45878 10^-2 кельвин×метр. В силу соотношения неопределенностей температуры и координаты возможен перенос энергии между удаленными частями МКС без передачи энергии в промежуточные части системы (телепортация), перенос энергии из настоящего в будущие состояния МКС. Впрочем, соотношение (3) устанавливается для релятивистского варианта квантовой термодинамики, описывающей процессы в системах типа рентгеновского лазера с ядерной накачкой).

Наиболее вероятные области применения квантовой термодинамики: описание состояний разнообразных естественных МКС (например, верхних слоев атмосфер планет, радиационных поясов Земли и т. д.). Парадоксы квантовой термодинамики могут использоваться в высоких технологиях: в теплоэнергетике, при сжигании природного газа, при обеспечении безопасности ядерных реакторов, при создании аппаратов с квантовыми теплоносителями, то есть источников синергии и квантовых компьютеров, осуществляющих трансформацию информации в сиинформацию.