Les particules intriquées brisent la loi classique de la thermodynamique, disent les physiciens

En 1867, le physicien écossais James Clerk Maxwell a publié une expérience de pensée montrant comment extraire la chaleur d'un conteneur de gaz.

Maxwell a imaginé un conteneur divisé en deux par un mur avec une trappe qui peut être ouverte et fermée pour laisser passer les molécules de gaz.

L'expérience commence avec tout le gaz dans une moitié du récipient. Le gaz contient des molécules se déplaçant à une large gamme de vitesses. Chaque fois qu'une molécule à grande vitesse s'approche de la trappe, Maxwell imaginait un «démon» l'ouvrant pour laisser passer la molécule.

Finalement, toutes les molécules rapides se retrouvent dans une moitié du récipient tandis que les lentes restent dans l'autre moitié. En effet, le démon a chauffé une moitié du récipient et refroidi l'autre.

Il y a quelques années, nous avons examiné une version expérimentale du démon de Maxwell, dans laquelle des physiciens japonais ont créé une sorte d'escalier dans lequel ils ont abaissé une barrière d'énergie pour permettre aux atomes de sauter une marche, puis l'ont relevée pour empêcher l'atome de retomber. redescendre.

En conséquence, l'atome a lentement gravi l'escalier même si aucune énergie n'a été ajoutée au système.

Le démon de Maxwell et ses homologues expérimentaux ressemblent à une violation flagrante de la deuxième loi de la thermodynamique, qui stipule que la chaleur ne peut pas être transmise d'un corps froid à un corps chaud sans travailler et que les machines à mouvement perpétuel de ce type sont impossibles.

Mais en fait, il ne se passe rien de surnaturel ici. Les physiciens modernes ont compris qu'une description complète de la thermodynamique doit inclure une évaluation de l'ordre et du désordre du système, c'est-à-dire des informations qu'il contient.

Les physiciens japonais doivent surveiller la position de l'atome à tout moment pour savoir quand élever et abaisser les barrières. Lorsque ce système de surveillance et les informations qu'il génère sont pris en compte, tout est comme il se doit.

Cependant, ce qui était extraordinaire dans l'expérience japonaise, c'est qu'elle a converti l'information en énergie.

Depuis lors, les physiciens ont commencé à se demander s'il pourrait y avoir d'autres complexités intéressantes dans la deuxième loi, en particulier lorsqu'elles prennent en compte la nature quantique des particules.

Comment la mécanique quantique pourrait-elle jouer un rôle ? Une possibilité est liée au phénomène étrange d'intrication dans lequel deux particules deviennent si profondément liées qu'elles partagent la même existence, même lorsqu'elles sont séparées par la largeur de l'univers. Lorsque deux particules sont enchevêtrées, une mesure sur l'une vous donne des informations sur les deux particules.

Il n'est pas difficile de voir comment cela pourrait être utilisé dans une expérience de type démon Maxwell et c'est exactement ce que font Ken Funo de l'Université de Tokyo au Japon et quelques amis. Voici comment.

Imaginez deux boîtes de particules avec une trappe entre elles. Vous voulez utiliser la trappe pour guider les particules les plus rapides dans une boîte et les particules les plus lentes dans l'autre. Dans une expérience classique, vous auriez à mesurer les particules dans les deux boîtes pour faire cette expérience.

Mais les choses sont différentes si les particules d'une boîte sont enchevêtrées avec les particules de l'autre. Dans ce cas, les mesures sur les particules dans une boîte vous donnent des informations sur les deux ensembles de particules.

En gros, vous obtenez des informations pour rien. Et puisque vous pouvez convertir ces informations en énergie, il y a un avantage évident lorsque l'enchevêtrement joue un rôle.

C'est extrêmement important. Cela signifie que les lois de la thermodynamique dépendent non seulement des phénomènes et des informations classiques, mais aussi des effets quantiques. La percée que Funo et co font est d'étendre la théorie pour en tenir compte. Nous montrons que les états intriqués peuvent être utilisés pour extraire un travail thermodynamique au-delà de la corrélation classique, disent-ils.

Cela aura des implications importantes pour toutes sortes de phénomènes, des trous noirs et de l'astrobiologie à la chimie quantique et aux nanomachines.

Maintenant, la course sera lancée pour voir qui peut le mesurer en premier.

Réf : arxiv.org/abs/1207.6872 : Gain de travail thermodynamique de l'enchevêtrement

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