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Verschränkte Teilchen brechen klassisches Gesetz der Thermodynamik, sagen Physiker
Im Jahr 1867 veröffentlichte der schottische Physiker James Clerk Maxwell ein Gedankenexperiment, das zeigte, wie man einem Gasbehälter Wärme entzieht.
Maxwell erfand einen durch eine Wand in zwei Hälften geteilten Behälter mit einer Falltür, die geöffnet und geschlossen werden kann, um Gasmoleküle durchzulassen.
Das Experiment beginnt mit dem gesamten Gas in einer Hälfte des Behälters. Das Gas enthält Moleküle, die sich mit einem breiten Geschwindigkeitsbereich bewegen. Immer wenn sich ein Hochgeschwindigkeitsmolekül der Falltür nähert, stellte sich Maxwell einen „Dämon“ vor, der sie öffnete, um das Molekül durchzulassen.
Schließlich landen alle schnellen Moleküle in einer Hälfte des Behälters, während die langsamen in der anderen Hälfte verbleiben. Tatsächlich hat der Dämon eine Hälfte des Behälters erhitzt und die andere gekühlt.
Vor ein paar Jahren haben wir uns eine experimentelle Version von Maxwells Dämon angesehen, bei der japanische Physiker eine Art Treppe schufen, in der sie eine Energiebarriere senkten, damit Atome eine Stufe hochspringen können, und sie dann angehoben haben, um ein Zurückfallen des Atoms zu verhindern wieder unten.
Als Ergebnis stieg das Atom langsam die Treppe hinauf, obwohl dem System keine Energie zugeführt wurde.
Maxwells Dämon und seine experimentellen Gegenstücke sehen aus wie eine klare Verletzung des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik, der besagt, dass Wärme nicht ohne Arbeit von einem kalten Körper auf einen heißen Körper übertragen werden kann und dass Perpetuum Mobile dieser Art unmöglich sind.
Aber eigentlich passiert hier nichts Übernatürliches. Moderne Physiker haben erkannt, dass eine vollständige Beschreibung der Thermodynamik eine Bewertung der Ordnung und Unordnung im System, also der darin enthaltenen Informationen, beinhalten muss.
Die japanischen Physiker müssen die Position des Atoms ständig überwachen, um zu wissen, wann die Barrieren angehoben und gesenkt werden müssen. Berücksichtigt man dieses Überwachungssystem und die von ihm generierten Informationen, ist alles in Ordnung.
Das Außergewöhnliche an dem japanischen Experiment ist jedoch, dass es Informationen in Energie umwandelt.
Seitdem fragen sich Physiker, ob es im zweiten Hauptsatz noch andere interessante Komplexitäten geben könnte, insbesondere wenn sie die Quantennatur von Teilchen berücksichtigen.
Welche Rolle könnte die Quantenmechanik spielen? Eine Möglichkeit hängt mit dem seltsamen Phänomen der Verschränkung zusammen, bei dem zwei Teilchen so tief miteinander verbunden werden, dass sie dieselbe Existenz teilen, selbst wenn sie durch die Breite des Universums getrennt sind. Wenn zwei Partikel miteinander verschränkt sind, gibt Ihnen eine Messung an einem Aufschluss über beide Partikel.
Es ist nicht schwer zu erkennen, wie dies in einem Maxwell-Experiment vom Dämonentyp verwendet werden könnte, und heute tun genau das Ken Funo von der Universität Tokio in Japan und ein paar Freunde. Hier ist wie.
Stellen Sie sich zwei Kisten mit Partikeln mit einer Falltür dazwischen vor. Sie möchten die Falltür verwenden, um die schnelleren Partikel in eine Kiste und die langsameren Partikel in die andere zu leiten. In einem klassischen Experiment müssten Sie die Partikel in beiden Kästchen messen, um dieses Experiment durchzuführen.
Anders verhält es sich jedoch, wenn sich die Partikel in einer Box mit den Partikeln in der anderen verschränken. In diesem Fall geben Ihnen Messungen an den Partikeln in einem Feld Informationen über beide Partikelsätze.
Im Wesentlichen erhalten Sie Informationen umsonst. Und da Sie diese Informationen in Energie umwandeln können, ist es klar von Vorteil, wenn Verschränkung eine Rolle spielt.
Das ist enorm wichtig. Das bedeutet, dass die Gesetze der Thermodynamik nicht nur von klassischen Phänomenen und Informationen abhängen, sondern auch von Quanteneffekten. Der Durchbruch, den Funo und Co. machen, besteht darin, die Theorie zu erweitern, um dies zu berücksichtigen. Wir zeigen, dass verschränkte Zustände verwendet werden können, um thermodynamische Arbeit jenseits der klassischen Korrelation zu extrahieren, sagen sie.
Das wird wichtige Auswirkungen auf alle Arten von Phänomenen haben, von Schwarzen Löchern und Astrobiologie bis hin zu Quantenchemie und Nanomaschinen.
Jetzt geht es darum, wer es zuerst messen kann.
Ref: arxiv.org/abs/1207.6872 : Thermodynamischer Arbeitsgewinn durch Verschränkung