Законы термодинамики, прекрасно работающие для паровых двигателей, дают сбой в мире квантовых частиц. Физикам пришлось искать новый способ определять базовые понятия вроде тепла и работы для микроскопических систем.

Все началось с графа Рамфорда (Benjamin Thompson), который еще в 1798 году понял: тепло не субстанция, а результат механического трения. Его опыты со сверлением пушечных стволов заложили основы термодинамики. Классические законы гласят: энергия сохраняется, энтропия не убывает. Но когда речь заходит о квантовых системах, эти принципы сталкиваются с проблемами.

"В микроскопических системах различие между работой и теплом перестает быть однозначным", – объясняет аспирант Аарон Дэниел (Aaron Daniel) из группы профессора Патрика Поттса (Patrick Potts). По сути, привычные понятия тут просто не работают.

Ученые взяли для примера оптический резонатор – систему с двумя зеркалами, между которыми отражается лазерный свет. Когерентный свет, где все волны синхронизированы, способен совершать работу. Например, заряжать квантовую батарею. Но при взаимодействии с атомами в резонаторе свет теряет когерентность, становится беспорядочным.

Физики предложили простую идею: считать работой только когерентную часть света, а некогерентную – теплом. Такой подход неожиданно сохранил оба закона термодинамики. Система стала последовательной.

Макс Шраувен (Max Schrauwen), студент бакалавриата, участвующий в проекте, уточняет: именно когерентность света стала отправной точкой для расчетов.

Теперь этот формализм можно применять к более сложным квантовым системам – от квантовых сетей до исследования перехода от классического к квантовому поведению. Старые правила обрели новую жизнь в микроскопическом мире.