[PWC-MEDIA] Persbericht TU Delft: Ja, ook quantum-chaos neemt altijd toe
- From: Michel van Baal <M.vanBaal@xxxxxxxxxx>
- To: "pwc-media@xxxxxxxxxxxxx" <pwc-media@xxxxxxxxxxxxx>
- Date: Tue, 10 Feb 2015 10:35:08 +0000
Ja, ook quantum-chaos neemt altijd toe
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
quantumwereld en zelfs op één deeltje. Deze wetten leveren de
quantumwetenschapper een 'gereedschapskist' op voor het begrijpen van het
gedrag van kleine systemen, zoals 'quantumbits', en voor het bestuderen van de
efficiëntie van ultrakleine machines op nanoschaal. Bovendien is deze theorie
over quantum-thermodynamica een zeldzame en belangrijke verbinding tussen
quantum- en klassieke natuurkunde. De wetenschappers publiceerden hun
resultaten deze week in het wetenschappelijke tijdschrift
PNAS<http://www.pnas.org/content/early/2015/02/05/1411728112.abstract>.
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 quantummechanica, 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 quantum systemen uit zo weinig deeltjes bestaan dat de
standaard 2de 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 auteurs
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 reële 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 quantum
informatie theorie".
Een familie 2de hoofdwetten
De quantummechanica 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 quantum mechanisch model dat zelfs
werkt voor 'machines' die maar uit een enkel atoom bestaan. Maar wanneer 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 quantum
mechanica 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 efficiëntie van de allerkleinste quantum machientjes 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 quantum
technologie zoals in quantum computers.
Noot voor de redactie
Voor meer informatie: Stephanie Wehner,
S.D.C.Wehner@xxxxxxxxxx<mailto:S.D.C.Wehner@xxxxxxxxxx>
Publicatie PNAS:
http://www.pnas.org/content/early/2015/02/05/1411728112.abstract
U ontvangt dit bericht via de PWC-medialijst. U kunt zich afmelden via
www.platformwetenschapscommunicatie.nl<file:///\\www.platformwetenschapscommunicatie.nl>.
Dit bericht is afkomstig van de TU Delft, Communication, Postbus 5, 2600 AA
Delft, www.tudelft.nl<http://www.tudelft.nl/>.
Other related posts:
- » [PWC-MEDIA] Persbericht TU Delft: Ja, ook quantum-chaos neemt altijd toe - Michel van Baal
