#74 Zero Jest Bezwzględne, czyli Termodynamika i 0 st. Kelvina

0. Wstęp.

Wiosna, lato, jesień, zima, czemu znowu bloga ni ma? Na tak zadane przez Was pytanie mogę odpowiedzieć tylko kwantowo: jest i ni ma jednocześnie. Jest, ponieważ właśnie piszę tekst, a ni ma, bo długo nie było. Jak głupek z uporem lepszej sprawy naobiecuję Wam zaraz. Uwaga! To może mnie kosztować życie, bo jeśli dalej będę pisał kwantowo (broń Boże nie kwantowo.pl ;)), i nic nie napiszę, utracę część 'na tak' czyli 'piszę'. Już nie będzie superpozycji pisania i niepisania jednocześnie. Będzie tylko pisanie. A, to ostatnie mogę obiecać.

Tymczasem, borem, lasem, chcę Was dziś uraczyć ciekawostką ze świata termodynamiki i kwantów. Nie jest to jakieś wielkie halo, bo u mnie wszystko jest skromnie, nawet posty ukazują się biednie (biednie, ale skromnie), nie będzie to odkrycie na miarę Andrzejów Draganów i inszych bogaczy fizycznych. Ja sobie powoli piszę, w tempie 1 znaku na minutę. I dlatego wydaje się, że tak długo nie pisałem. O.

I tym przemiłym akcentem, z czystym sumieniem prezentuję: kwantowy trick - jak osiągnąć zero bezwzględne.

1. Rozdział pierwszy.

Stan perfekcyjnego bezruchu, znany inaczej jako stan zera bezwzględnego, najniższa z możliwych w fizycznym świecie temperatur, jest jednym z niemożliwych osiągnięć do uzyskania. Możemy zbliżać się na niemal dowolną odległość, jednak prawa fizyki zawsze powstrzymają nas przed osiągnięciem absolutu zerowego. Zera absolutnego, miałem na myśli. Absolut jest absolutnie nie do osiągnięcia, jak sama nazwa wskazuje ;)

Międzynarodowy zespół badaczy (nie będę pisał jakich, bo i tak nie zapamiętacie, Laikowie, ba, ja już nawet nie pamiętam gdzie o nich czytałem; załóżmy, że są to amerykańscy naukowcy, którzy umieją wszystko oprócz zrobienia sobie samodzielnie śniadania ;)) znalazł nowy sposób. Na co? Hmmm, a o czym jest temat? Okej, już wiem: na osiągnięcie w teorii mitycznego punktu absolutnie zerowej temperatury! Nie oznacza to, że udało się złamać prawa fizyki i usunąć ostatnią cząstkę ciepła. Chodzi bardziej o zbudowanie struktury, która może zainspirować do tworzenia nowych sposobów na poznawanie materii w niskich temperaturach.

Jako konsekwencja trzeciego prawa termodynamiki (przypominam: 'nie można za pomocą skończonej liczby kroków uzyskać temperatury zera bezwględnego, jeżeli za punkt wyjścia obierzemy niezerową temperaturę bezwzględną'). A co to za zasada - ano taka, w skrócie, że aby uzyskać zero absolutne, potrzebna jest nieskończona liczba kroków, czyli przeskoków w obniżaniu temperatury. To tak jakby zero absolutne było asymptotą, do której dąży nasze obniżanie temperatury. Nigdy jej nie osiągnie, ale do niej dąży. Pamiętacie limesy z matematyki? Nie? Ja też nie. - to po co Pan o nich mówi? - to po co o nie pytacie? - Ale to Pan o nich zaczął mówić. - Spadajcie.

2. Moje spostrzeżenia.

Jednym słowem mamy fakt, a raczej moje prywatne spostrzeżenie, że prawa fizyki (np. zero bezwzględne, prędkość światła - tu mamy foton, ale on nie mam masy) mogą być jak asymptoty, hipotetyczne punkty, które można osiągnąć w teorii, istnieją naprawdę, i w rzeczywistości nigdy ich nie osiągniemy. To np. tak, jakby podstawić za prędkość światła nieskończoność. Mówi się, że w fizyce nie ma nieskończoności (mogę się mylić ale tak słyszałem; źródło: ptaszki za oknem ćwierkały). Ale gdyby tak się pobawić w eksperymenty myślowe... Przecież to nic innego niż zasada nieoznaczoności Heisenberga w natarciu. Zero bezwzględne istnieje. W teorii. Zbliżamy sie do niego na niego na odległość 1/nieskończoność, ale nigdy go nie osiągamy. Im bliżej jesteśmy zera bezwzględnego, tym więcej kroków musimy wykonać w obniżaniu temperatury. Oczywiście, nie jest to zasada nieoznaczoności w pełnym tego słowa znaczeniu, ale sam mechanizm działania jest podobny. A prędkość światła? Zbliżanie się od prędkości światła powoduje wzrost masy poruszającego się obiektu do nieskończoności. Coś Wam to przypomina? Zbliżanie się do zera bezwzględnego? Taaaaak! Wygrywają Państwo lizaka. Otóż w przypadku nieprzekraczalnej prędkości mamy coś, co się z nią porusza: foton. Tylko że foton nie ma masy, a przed barierą prędkości światła masa rosła w nieskończoność! Dziwny ten foton, bo w języku matematyki jego prędkość to... 1/0. Nieokreśloność. Droga/czas, a jak wiemy, fotony poruszają się bez czasu, z ich własnej perspektywy. Pozostawiam to do panelu dyskusyjnego, o ile taki u mnie w ogóle istnieje ;)

Wiem, że pewnie się wygłupiłem pisząc te wnioski i zaraz zaliczycie mnie w grono specjalistów od kwantowego uzdrawiania świadomości, że czas to absolut, a zero jest wymysłem kosmitów, a nasza energia łączy się w kwantowy sposób z magiczna energią Wszechświata. Ale to była jedynie taka zabawa myślowa, może jakieś ciekawe komentarze się pojawią. Liczę na natychmiastowe wytknięcie mi błędów w myśleniu! Hmmm, a może to ja jestem fotonem? Sam już nie wiem ;)

3. Ech, się rozmarzyłem. Wracamy do rzeczywistości.

Usunięcie przyrostu energii cieplnej będzie zawsze wymagać nieskończonej liczby kroków. Co za tym idzie, wymaga nieskończonej ilości energii, aby dotrzeć do celu. Niezwykłe wyzwanie.

Fizyka klasyczna stawia jednak inne wymogi i sprawa jest oczywista. Jednak jeśli spojrzeć na problem w kontekście fizyki kwantowej, wygląda on wtedy nieco inaczej.

Fizyka kwantowa opisuje cząstki według rozkładu prawdopodobieństw. Tylko kiedy właściwość zostanie zmierzona, ma swój konkretny stan; nawet wtedy inne własności cząstki stają się nieco mniej pewne. Cząstka w teoretycznym stanie zero Kelvina nie poruszałaby się zupełnie, a to oznaczałoby, że jej położenie jest pewne. Detale, informacje kwantowe odnośnie jej poprzedniego położenia zostałyby wymazane, kasując informację. W jednym zdaniu: pogwałcenie zasady nieoznaczoności Heisenberga i zasady zachowania informacji w przyrodzie. 

Spójrzmy także na zasadę Landauera, która głosi, że skasowanie części informacji wymaga użycia skończonej i minimalnej ilości energii. Jak teraz odnieść się do informacji, że istnieje kwantowy trick pozwalający zejść do zera absolutnego?

4. Rozwiązanie paradoksu.

Są ich dwa. Aby wykonać przeskok, nadal potrzebna jest nieskończona ilość czasu i energii. Albo, podążając tokiem myślowym odkrycia, o którym mówi mój tekst - wymaga on skasowania nieskończonej ilości złożoności informacji.

To nowe odkrycie roli złożoności. Pokazuje ono nowe spojrzenie na drogę do zera absolutnego. Mimo, iż jest praktycznie niewykonywalne, wpisujemy je na listę innych rozwiązań problemu zera bezwzględnego, nad którymi naukowcy pracują już od dawna.

Okazało się, że systemy kwantowe mogą zostać tak zdefiniowane, że pozwalają osiągnąć stan zera absolutnego nawet przy skończonej ilości energii i w skończonym czasie. Nikt tego nie podejrzewał. Jednakże za takie warunki płaci się swoistą cenę - nieskończoność złożoności (znowu mamy coś w rodzaju zasady nieoznaczoności Heisenberga - tylko tam nie obchodzimy się z nieskończonościami; mówi ona, że dla wartości skorelowanych im lepiej poznajemy jedną wartość, to drugą poznajemy odwrotnie proporcjonalnie, dla fizycznych, skończonych wielkości). Mamy więc kwantową wersję trzeciego prawa termodynamiki, które wykracza poza wiedzę, jaką wpaja nam fizyka klasyczna: aby osiągnąć zero absolutne, wymagana jest nieskończona ilość energii, czasu albo złożoności.

Obliczenia i modelowanie przeprowadzone przez zespół badaczy pokazuje także, że perfekcyjne wykasowanie danych i najniższa możliwa temperatura są ściśle powiązane. Oba, najwidoczniej, poza zasięgiem nas, śmiertelników.

Jeśli chce się wykasować informacje w sposób perfekcyjny w komputerze kwantowym i w trakcie procesu przenieść kubit w stan perfekcyjnie czystego stanu podstawowego, należy mieć coś, czego nigdy mieć nie będziemy (może w Niebie; albo w piekle, zależy od oceny z zachowania ;)). Otóż jest to nieskończenie złożony komputer kwantowy, który może doskonale kontrolować nieskończoną liczbę cząstek.

5. Koniec. Nareszcie, powiecie.

W praktyce nie istnieje coś takiego jak idealny system komputerowy. Dlatego nie powinno się uważać, że fakt, iż nie da się pozbyć informacji z cząstki w komputerze kwantowym, jest czymś złym. Mówię tu także o informacjach o poprzednich stanach kubitu. W niedoskonałym systemie niedoskonały komputer kwantowy jest dokładnie na swoim miejscu ;))

Mechanika kwantowa i temperatura zera bezwzględnego są ściśle powiązane. Kiedy zbliżamy się do 0 st. Kelvina uruchamia się dziwny mechanizm kwantowy. Owo odkrycie może być przydatne w innych badaniach, w przyszłości.

Pe.eS. Dziwne może się wydawać z punktu widzenia osoby, której zasada nieoznaczoności jest obca jak typowy obcy z typowo obcej planety ;)