17 feb. 1999
3 minuten
Je kunt stellen dat het de wetten van de thermodynamica zijn die het heelal regeren. Ze schrijven voor dat energie niet spontaan kan ontstaan of verdwijnen. De bekendste is wel de Tweede Hoofdwet, die bij velen bekend staat als: ‘chaos neemt altijd toe’. Een mooi geordende toren van blokken kan veranderen in een rommelige hoop, maar zo’n hoop zal zich nooit spontaan herordenen in een nette toren: daarvoor is de toevoer van energie nodig. Een huis zal altijd rommeliger worden; het zal zichzelf nooit spontaan opruimen.
De wetten van de thermodynamica werkten tot nu toe alleen voor een extreem groot aantal deeltjes, zoals een toren van blokken, een stoommachine of een huis. Nu heeft een groep wetenschappers van de TU Delft, UCL, de University of Gdansk en de National University of Singapore laten zien dat zeer vergelijkbare wetten ook van toepassing zijn op een klein aantal deeltjes in de kwantumwereld en zelfs op één deeltje. Deze wetten leveren de kwantumwetenschapper een ‘gereedschapskist’ op voor het begrijpen van het gedrag van kleine systemen, zoals ‘kwantumbits’, en voor het bestuderen van de efficientie van ultrakleine machines op nanoschaal. Bovendien is deze theorie over kwantum-thermodynamica een zeldzame en belangrijke verbinding tussen quantum- en klassieke natuurkunde. De wetenschappers publiceerden hun resultaten op maandag 9 februari in het wetenschappelijke tijdschrift PNAS*).
Stoommachine
De wetten van de thermodynamica werden in het midden van de 19e eeuw opgesteld; ze verklaarden bijvoorbeeld precies hoe een stoommachine werkt. De eerste formulering van de Tweede Hoofdwet is van de Duitse wetenschapper Rudolf Clausius in 1854. Hij stelde dat ‘warmte nooit van een kouder naar een warmer lichaam kan stromen, zonder dat er gelijktijdig een andere verandering plaatsvindt die hiermee verband houdt". De wet gaat prima op voor grote aantallen deeltjes die samen een systeem vormen (zoals een stoommachine). Maar in de wereld van de kwantummechanica, waar het om slechts enkele deeltjes gaat die een sterke onderlinge wisselwerking hebben, is de wet nutteloos: vanwege de constante interactie tussen de deeltjes, is het nagenoeg onmogelijk om te voldoen aan de voorwaarde: ‘zonder dat er een andere verandering plaatsvindt’. Bovendien kunnen kwantumsystemen uit zo weinig deeltjes bestaan dat de standaard tweede hoofdwet niet is toe te passen.
Statistische wet
"De klassieke tweede hoofdwet wordt soms ook wel gezien als een statistische wet, die alleen geldt voor systemen die uit extreem veel deeltjes bestaan", zegt Jonathan Oppenheim van University College London (UCL), een van de auters van de studie. Statistische wetten gelden alleen als we naar extreem veel deeltjes kijken. "Als ik een muntje duizend keer opgooi, dan verwacht ik even vaak ‘kop’ als ‘munt’", vertelt co-auteur Stephanie Wehner van de TU Delft. "Maar als ik dat zelfde muntje maar een paar keer opgooi, dan is dat niet waar. Er is een reele kans dat ik alleen maar munt krijg. Iets vergelijkbaars gebeurt er als we naar systemen kijken die uit heel weinig deeltjes bestaan, in plaats van heel veel. Dan heb je niets aan de klassieke tweede hoofdwet. Voor het begrijpen van zulke kleine systemen gebruiken we gereedschappen uit de kwantum informatie theorie".
Een familie tweede hoofdwetten
De kwantummechanica kende tot dusver geen ‘wetten van de thermodynamica’. Maar in de publicatie in PNAS, laten de wetenschappers nu zien dat er op zeer kleine schaal niet één wet van de thermodynamica is, maar een hele familie van thermodynamica-wetten waaraan moet worden voldaan.
"Het is interessant om te beginnen met een kwantummechanisch model dat zelfs werkt voor ‘machines’ die maar uit een enkel atoom bestaan. Maar waneer we diezelfde regels toepassen op een groot aantal deeltjes, dan vinden we gewoon weer de bekende klassieke tweede hoofdwet van de thermodynamica", vertelt co-auteur Nelly Ng (TU Delft).
Een van de grote uitdagingen voor wetenschappers is om de wetten van de kwantummechanica en die van klassieke natuurkunde met elkaar te verbinden. Dit onderzoeksresultaat levert zo’n verbinding, door de tweede hoofdwet zo te formuleren dat hij ook voor een klein aantal deeltjes geldt. "Ons resultaat maakt het mogelijk de efficientie van de allerkleinste kwantummachientjes te analyseren, zelfs als ze uit slechts een paar atomen bestaan.
De wetenschappers verwachten dat hun werk brede toepassing zal vinden in het ontwerpen van systemen op nanoschaal, biologische motortjes en kwantumtechnologie zoals in kwantumcomputers.
Anderen lazen ook
