Keterikatan kuantum melanggar hukum kedua termodinamika

(Sumber gambar: ThinkStock)

Hukum Kedua Termodinamika secara kasar mengatakan bahwa Anda tidak dapat memperoleh sesuatu dari ketiadaan. Karena tidak ada energi gratis, misalnya, tidak mungkin untuk membuat mesin gerak abadi, meskipun beberapa upaya paling tidak ingin tahu telah dicoba.

Aspek lain dari hukum yang sama adalah fakta bahwa energi selalu berusaha untuk mengimbangi dirinya sendiri. Jika Anda memiliki panci berisi air panas dan menuangkan air dingin di atasnya, Anda akan mendapatkan cairan hangat. Jika Anda ingin mendinginkan atau memanaskan air ini, Anda harus memiliki sumber daya eksternal.

James Maxwell dan latihan mentalnya

Segalanya sempurna, sampai James Maxwell dari Skotlandia menyarankan latihan yang akan membingungkan pikiran banyak orang pada tahun 1867: Bayangkan Anda memiliki wadah berisi air hangat. Air ini memiliki molekul yang bergerak dengan kecepatan yang berbeda, yang "lebih panas" bergerak cepat, sedangkan yang "lebih dingin" bergerak lambat. Meskipun demikian, suhu air rata-rata hangat.

Maxwell kemudian menyarankan untuk membagi wadah ini menjadi dua bagian, hanya menyisakan pintu kecil, ukuran molekul air, terbuka di antara mereka. Bangun pintu sehingga molekul cepat tertarik ke sana dan menumpuk di setengah wadah, dan setiap kali molekul lambat mendekati pintu, ia dilewatkan ke sisi lain.

Dengan begitu, setelah beberapa saat, pintu ini akan memerintahkan molekul menjadi cepat dan lambat, yang berarti air hangat akan berubah menjadi air panas dan dingin tanpa menggunakan sumber energi tambahan. Hukum Kedua Termodinamika tampaknya dilanggar.

Melanggar Hukum Kedua dalam Praktek

Ide Maxwell menarik, tetapi latihan mental. Namun, pada 2010, para ilmuwan menunjukkan bahwa adalah mungkin untuk membuat selembar plastik bergerak dengan gerakan acak molekul udara, dengan pintu yang mirip dengan yang diusulkan oleh Maxwell dalam latihannya.

Sepotong plastik ditempatkan di awal tangga kecil dan tiba-tiba mulai didorong ke atas. Setiap kali dia melakukan ini, pintu listrik ditutup tepat di bawahnya. Daya yang digunakan di port ini diisolasi dari sistem lainnya untuk memastikan tidak mengganggu percobaan. Seiring waktu, plastik mencapai puncak tangga tanpa energi eksternal diterapkan.

Mengubah informasi menjadi energi

Setelah banyak mempelajari kasus-kasus ini, fisikawan sampai pada kesimpulan bahwa percobaan ini bergantung pada banyak informasi yang sangat akurat tentang sistem di mana mereka dilakukan. Dalam latihan mental Maxwell, Anda perlu mengetahui kecepatan molekul yang bergerak, dan dalam percobaan langsung tahun 2010, Anda selalu perlu memantau posisi potongan plastik.

Semua pengukuran ini bergantung pada energi yang, pada gilirannya, mencoba mengimbangi dirinya dengan energi "bebas" yang ada di luar sistem. Dengan kata lain, yang terjadi adalah transformasi informasi menjadi energi: informasi tentang posisi plastik akhirnya diubah menjadi energi yang mendorongnya ke atas. Artinya, Hukum Kedua Termodinamika tetap utuh.

Hal-hal gila dari dunia kuantum

Sekarang para ilmuwan di Universitas Kyoto dan Universitas Tokyo, keduanya di Jepang, telah menemukan bahwa mekanika kuantum membawa beberapa komplikasi tambahan pada percobaan ini dan bahwa sekali lagi Hukum Kedua Termodinamika tampaknya dilanggar.

(Sumber gambar: Putar / arXiv)

Untuk tujuan ini, mereka menambah latihan Maxwell konsep yang dikenal sebagai keterikatan kuantum. Ketika dua partikel terjalin secara kuantitatif, mereka berperilaku sebagai satu, meskipun mereka dipisahkan oleh seluruh alam semesta yang terpisah. Dengan demikian, dimungkinkan untuk mengukur hanya satu dari mereka dan mendapatkan informasi tentang yang lain. Dan, seperti yang kita lihat sebelumnya, informasi dalam konteks ini adalah energi.

Oleh karena itu, dalam kasus di atas, adalah mungkin untuk menggunakan energi untuk mengukur setengah dari molekul dan memperoleh informasi tentang semuanya. Dengan kata lain, akan mungkin untuk membagi wadah antara molekul "panas" dan "dingin" menggunakan hanya setengah energi yang diperlukan dalam model klasik.

Untuk saat ini, semua ini hanyalah kalkulus matematika yang diisi dengan simbol-simbol Yunani dalam sebuah makalah ilmiah (PDF). Tetapi pencapaian besar penulis adalah untuk menemukan bahwa Hukum Kedua Termodinamika juga tergantung pada efek kuantum, dan sekarang tim bekerja pada cara untuk mengembangkannya sehingga wahyu ini juga dibahas.

Menurut situs web Technology Review, penelitian ini akan memiliki implikasi penting untuk semua jenis fenomena, dari black hole dan astrobiologi hingga nanomachine dan kimia kuantum.

Sumber: Tinjauan Teknologi