Naukowcy z Trinity College w Dublinie odkryli efekt Mpemby w układach kwantowych, ujawniając, jak pewne transformacje mogą paradoksalnie przyspieszyć chłodzenie. Ten przełom może przynieść korzyści przyszłym technologiom kwantowym, poprawiając wydajność chłodzenia i zmniejszając straty energii.
Naukowcy z Trinity College Dublin właśnie opisali istnienie paradoksalnego efektu Mpemby w układach kwantowych. Odkrycie, które początkowo prowadziło się z czystej ciekawości, wypełniło lukę między obserwacjami Arystotelesa dwa tysiące lat temu a współczesnym zrozumieniem i otworzyło drzwi do całego szeregu „chłodnych” – i „ochładzających” – implikacji.
Efekt Mpemby jest najbardziej znany jako kłopotliwe zjawisko, polegające na tym, że gorąca woda zamarza szybciej niż zimna. Obserwacje sprzecznego z intuicją efektu sięgają czasów Arystotelesa, który ponad 2000 lat temu zauważył, że Grecy z Pontu wykorzystywali ten efekt w swoich praktykach połowowych.
Efekt Mpemby wzbudzał także ciekawość innych wielkich umysłów na przestrzeni dziejów, takich jak René Descartes i Francis Bacon. Nadal jest tematem wielu artykułów w gazetach i regularnie pojawia się jako ciekawostka w różnych sytuacjach, na przykład w konkursie kulinarnym MasterChef, w którym uczestnicy próbowali wykorzystać efekt, aby dostarczyć mrożone przysmaki szybciej, niż wydaje się to możliwe w wyzwaniach deserowych .
Kwantowy wgląd w efekt Mpemby
I teraz możemy powiedzieć, że ten dziwny efekt jest znacznie bardziej wszechobecny, niż wcześniej oczekiwaliśmy, ponieważ zespół Trinity QuSys, kierowany przez prof. Johna Goolda ze Szkoły Fizyki, właśnie opublikował w czasopiśmie fascynujący artykuł badawczy Listy z przeglądu fizycznego. W artykule przedstawiono ich przełom w zrozumieniu efektu w bardzo odmiennym – i niezwykle złożonym – świecie fizyki kwantowej.
Prof. Goold powiedział: „„Efekt Mpemby” wziął swoją nazwę od nazwiska Erasto Mpemby, który jako uczeń w 1963 roku robił lody na lekcjach ekonomii domowej w Tanzanii. Mpemba nie czekał, aż gorąca mieszanka lodów ostygnie, zanim włożyła ją bezpośrednio do lodówki, i nie było dla niego zaskoczeniem, gdy odkrył, że zamarzła wcześniej niż wszystkie zimniejsze próbki jego kolegów z klasy.
„Zwrócił na to uwagę swojemu nauczycielowi, który wyśmiał go za to, że nie znał fizyki – na przykład prawo Newtona mówi nam, że tempo stygnięcia obiektu jest proporcjonalne do różnicy temperatur między obiektem a jego otoczeniem. Jednak Mpemba przekonał profesora wizytującego – Denisa Osoborne z Uniwersytetu w Dar es Salaam – aby przetestował to, co zobaczył, po czym oboje opublikowali artykuł, który rzeczywiście dowodził dziwnego efektu.
Choć efekt Mpemby wciąż nie jest w pełni poznany – jego obecność jest przedmiotem gorących dyskusji w skali makroskopowej – jest on znacznie bardziej widoczny w skali mikroskopowej, gdzie fizycy do opisu natury wykorzystują teorię mechaniki kwantowej.
Wyjaśnienie kwantowego efektu Mpemby
Kwantowy efekt Mpemby stał się ostatnio popularnym tematem, ale w powietrzu wisiały niezliczone pytania; na przykład, jak efekt kwantowy ma się do efektu pierwotnego? Czy możemy skonstruować ramy termodynamiczne, aby lepiej zrozumieć to zjawisko?
Przełom grupy badawczej QuSys odpowiada na niektóre kluczowe pytania.
Prof. Goold powiedział: „Jesteśmy ekspertami w dziedzinie powiązań między termodynamiką nierównowagową a teorią kwantową i jako tacy mamy odpowiedni zestaw narzędzi, aby uporać się z tymi pytaniami. Nasza praca zasadniczo dostarcza przepisu na generowanie efektu Mpemby w układach kwantowych, gdzie można przeprowadzić transformację fizyczną, która skutecznie „ogrzewa” układ kwantowy. Ta transformacja układu kwantowego paradoksalnie pozwala mu odprężyć się lub „ochłodzić” wykładniczo szybciej, wykorzystując unikalne cechy dynamiki kwantowej.
Korzystając z zestawu narzędzi nierównowagowej termodynamiki kwantowej, zespołowi udało się wypełnić lukę między obserwacjami Arystotelesa sprzed dwóch tysiącleci a naszym współczesnym rozumieniem mechaniki kwantowej.
A teraz otwiera drzwi do wielu pytań związanych z badaniami i zastosowaniami.
Prof. Goold dodał: „Chociaż po raz pierwszy zajęliśmy się tym projektem z ciekawości intelektualnej, zmusiło nas to do zadania kilku fundamentalnych pytań dotyczących związku między prawami termodynamiki opisującymi chłodzenie a mechaniką kwantową opisującą rzeczywistość na poziomie podstawowym. Obecnie opracowujemy geometryczne podejście do problemu, które, miejmy nadzieję, pozwoli nam zrozumieć różne typy efektów Mpemby w tych samych ramach matematycznych.
„W tym naprawdę „fajnym” efekcie Mpemby mamy do czynienia ze sposobem na przyspieszenie chłodzenia, a chłodzenie systemów kwantowych jest absolutnie niezbędne w zastosowaniach w technologiach kwantowych. Mając to na uwadze, jestem pewien, że niektóre narzędzia, które opracowujemy w celu zbadania tego podstawowego efektu, będą miały ogromne znaczenie dla zrozumienia takich zagadnień, jak przepływy ciepła i sposobów minimalizowania rozpraszania w przyszłych technologiach”.
Odniesienie: „Thermodynamics of the Quantum Mpemba Effect” Mattii Moroder, Oisín Culhane, Krissia Zawadzki i John Goold, 4 października 2024 r., Listy z przeglądu fizycznego.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.140404
