Содержание
Двигатель квантового сгорания
Люди научились строить очень мощные двигатели внутреннего сгорания, но не научились главному — существенному повышению их КПД. Предел на этом пути ставит второй закон термодинамики, утверждающий, что энтропия системы неизбежно растет. Но нельзя ли преодолеть этот предел с помощью квантовой физики? Оказалось, что можно, но для этого необходимо было понять, что энтропия субъективна, а тепло и работа — далеко не единственно возможные формы энергии. Подробнее о том, что такое квантовые двигатели, как они устроены и на что способны, читайте в нашем материале.
За 300 лет развития технологии расчета, проектирования и конструирования двигателей проблема создания машины с большим коэффициентом полезного действия (КПД) так и не была решена, хоть и является критичной для многих областей науки и техники.
Квантовая физика, открытая в начале XX века, преподнесла нам уже немало сюрпризов в мире технологий: атомная теория, полупроводники, лазеры и, наконец, квантовые компьютеры.
Эти открытия основываются на необычных свойствах субатомных частиц, а именно, на квантовых корреляциях между ними — сугубо квантовом способе обмена информацией.
И кажется, квантовая физика готова удивить нас еще раз: годы развития квантовой термодинамики позволили физикам показать, что квантовые тепловые двигатели могут иметь высокую эффективность на малых масштабах, недоступную для классических машин.
Давайте разберемся, что такое квантовая термодинамика, как работают тепловые машины, какие улучшения дает квантовая физика и что необходимо сделать для создания эффективного двигателя будущего.
Классические тепловые двигатели
В своей книге 1824 года «Размышления о движущей силе огня» 28-летний французский инженер Сади Карно придумал, как паровые двигатели могут эффективно преобразовывать тепло в работу, заставляющую двигаться поршень или крутиться колесо.
К удивлению Карно, эффективность идеального двигателя зависела только от разницы температур между источником тепла двигателя (нагревателем, как правило — огнем) и теплоотводом (холодильником, как правило — окружающим воздухом).
Карно понял, что работа — это побочный продукт естественного перехода тепла от горячего тела к холодному.
В тепловых двигателях используется следующий цикл. Тепло Q1 подводится из нагревателя с температурой t1 к рабочему телу, часть тепла Q2 отводится к холодильнику с температурой t2, t1 > t2.
Работа, произведенная тепловым двигателем, равна разности между подведенным и отведенным теплом: A = Q1 − Q2, а КПД η будет равен η = A/Q1.
Карно показал, что КПД любой тепловой машины не может превосходить КПД идеальной тепловой машины, работающей по его циклу с теми же самыми температурами нагревателя и холодильника ηCarnot = (t1 − t2)/t1. Создание эффективной тепловой машины — это максимальное приближение реального КПД η к идеальному ηCarnot.
Сади Карно умер от холеры восемь лет спустя — прежде, чем смог увидеть, как уже в XIX веке его формула эффективности превратилась в теорию классической термодинамики — набор универсальных законов, связывающих температуру, тепло, работу, энергию и энтропию.
Классическая термодинамика описывает статистические свойства систем, сводя микропараметры, такие как положения и скорости частиц, к макропараметрам: температуре, давлению и объему. Законы термодинамики оказались применимы не только к паровым машинам, но и к Солнцу, черным дырам, живым существам и всей Вселенной.
Это теория настолько простая и общая, что Альберт Эйнштейн считал, что она «никогда не будет свергнута». Однако с самого начала термодинамика занимала исключительно странное положение среди других теорий мироздания.
«Если бы физические теории были людьми, термодинамика была бы деревенской ведьмой, — писала несколько лет назад физик Лидия дель Рио. — Другие теории находят ее странной, отличной от остальных, но все приходят к ней за советом и никто не осмеливается ей противоречить».
Термодинамика никогда не претендовала на то, чтобы быть универсальным методом анализа окружающего мира, скорее, она путь к эффективному использованию этого мира.
Термодинамика рассказывает нам, как максимально использовать ресурсы, такие как горячий газ или намагниченный металл, для достижения конкретных целей, будь то движение поезда или форматирование жесткого диска.
Ее универсальность происходит от того, что она не пытается понять микроскопические детали отдельных систем, а только заботится о том, чтобы определить, какие операции легко реализовать в этих системах, а какие трудно.
Такой подход может показаться странным для ученых, но им активно пользуются в физике, информатике, экономике, математике и много где еще.
Одна из самых странных особенностей теории — это субъективность ее правил. К примеру, газ, состоящий из частиц, в среднем имеющих одинаковую температуру, при ближайшем рассмотрении имеет микроскопические температурные различия.
В последние годы появилось революционное понимание термодинамики, объясняющее эту субъективность с помощью квантовой теории информации, которая описывает распространение информации через квантовые системы.
Точно так же, как термодинамика первоначально выросла из попыток улучшить паровые двигатели, современная термодинамика описывает работу уже квантовых машин — управляемых наночастиц.
Для корректного описания мы вынуждены распространить термодинамику на квантовую область, где такие понятия, как температура и работа, теряют свое обычное значение, а классические законы механики перестают работать.
Квантовая термодинамика
Зарождение квантовой термодинамики
В письме от 1867 года своему коллеге, шотландцу Питеру Тейту, знаменитый физик Джеймс Кларк Максвелл сформулировал знаменитый парадокс, намекающий на связь между термодинамикой и информацией.
Парадокс касался второго закона термодинамики — правила, согласно которому энтропия всегда возрастает. Как позже заметил сэр Артур Эддингтон, это правило «занимает главенствующее положение среди законов природы».
Согласно второму закону, энергия становится все более неупорядоченной и менее полезной, поскольку она распространяется от горячих тел к холодным и различия в температуре уменьшаются.
А как мы помним из открытия Карно, для совершения полезной работы требуются горячее и холодное тело. Огонь гаснет, чашки с утренним кофе остывают, а Вселенная устремляется к состоянию равномерной температуры, известной как тепловая смерть Вселенной.
Великий австрийский физик Людвиг Больцман показал, что увеличение энтропии является следствием законов обычной математической статистики: существует гораздо больше способов для равномерного распределения энергии между частицами, чем для локальной ее концентрации. Когда частицы движутся, они естественным образом стремятся к состояниям с более высокой энтропией.
Но в письме Максвелла описывался мысленный эксперимент, в котором некое просветленное существо — позднее названное демоном Максвелла — использует свои знания для снижения энтропии и нарушения второго закона.
Всемогущий демон знает положение и скорость каждой молекулы в контейнере с газом. Разделяя контейнер на две половинки и открывая и закрывая маленькую дверцу между двумя камерами, демон пропускает только быстрые молекулы в одну сторону и только медленные — в другую.
Действия демона делят газ на горячий и холодный, концентрируя его энергию и снижая общую энтропию. Некогда бесполезный газ с некоторой средней температурой теперь можно пустить в ход в тепловой машине.
Долгие годы Максвелл и другие задавались вопросом, как закон природы может зависеть от знания или незнания положения и скорости молекул. Если второй закон термодинамики субъективно зависит от этой информации, то как он может быть абсолютной истиной?
Связь термодинамики с информацией
Столетие спустя американский физик Чарльз Беннетт, опираясь на работы Лео Силарда и Рольфа Ландауэра, разрешил парадокс, формально связав термодинамику с наукой об информации. Беннетт утверждал, что знания демона хранятся в его памяти, а память должна быть очищена, на что требуется работа.
В 1961 году Ландауэр подсчитал, что при комнатной температуре компьютеру требуется не менее 2,9 × 10-21 джоулей, чтобы стереть один бит хранимой информации. Другими словами, когда демон разделяет горячие и холодные молекулы, снижая энтропию газа, его сознание потребляет энергию, и общая энтропия системы газ + демон возрастает, не нарушая второй закон термодинамики.
Результаты исследования показали, что информация является физической величиной — чем больше у вас информации, тем больше работы вы можете извлечь. Демон Максвелла создает работу из газа с одной температурой, потому что у него гораздо больше информации, чем у обычного наблюдателя.
Потребовались еще полвека и расцвет квантовой теории информации — области, зародившейся в погоне за квантовым компьютером, чтобы физики подробно изучили поразительные следствия идеи Беннетта.
В течение последнего десятилетия физики предположили, что энергия распространяется от горячих объектов к холодным из-за определенного способа распространения информации между частицами.
Согласно квантовой теории, физические свойства частиц вероятностны и частицы могут находиться в суперпозиции состояний. Когда они взаимодействуют, то запутываются, комбинируя вместе распределения вероятностей, описывающих их состояния.
Центральным положением квантовой теории является утверждение, что информация никогда не теряется, то есть настоящее состояние Вселенной сохраняет всю информацию о прошлом.
Однако со временем, когда частицы взаимодействуют и все больше запутываются, информация об их индивидуальных состояниях перемешивается и распределяется между все большим количеством частиц.
Чашка кофе охлаждается до комнатной температуры, потому что при столкновении молекул кофе с молекулами воздуха информация, кодирующая кофейную энергию, просачивается наружу, передается окружающему воздуху и теряется в нем.
Однако понимание энтропии как субъективной меры позволяет Вселенной в целом развиваться без потери информации. Даже когда энтропия частей Вселенной, например частиц газа, кофе, читателей N + 1, растет по мере того, как их квантовая информация теряется во Вселенной, глобальная энтропия Вселенной всегда остается нулевой.
15 лет назад люди думали об энтропии как о свойстве термодинамической системы. Сейчас же мы считаем, что энтропия — это не свойство системы, а свойство наблюдателя, описывающего систему.
Идея о том, что энергия имеет две формы: бесполезное тепло (о котором мы не знаем ничего) и полезную работу (о которой мы знаем почти все), имела смысл для паровых двигателей.
На самом деле между ними существует целый спектр форм — энергия, о которой у нас есть лишь частичная информация. При таком подходе энтропия и термодинамика становятся гораздо менее загадочными.
Ренато Реннер,
профессор университета ETH, Цюрих
Квантовая тепловые двигатели
Как же теперь, используя более глубокое понимание квантовой термодинамики, построить тепловую машину?
В 2012 году был учрежден технологический Европейский исследовательский центр, посвященный квантовой термодинамике, где в настоящее время работают более 300 ученых и инженеров.
Команда центра надеется исследовать законы, управляющие квантовыми переходами в квантовых двигателях и холодильниках, которые когда-нибудь смогут охлаждать компьютеры или использоваться в солнечных панелях, биоинженерии и других приложениях.
Уже сейчас исследователи намного лучше, чем раньше, понимают, на что способны квантовые двигатели.
Тепловой двигатель — это устройство, использующее квантовое рабочее тело и два резервуара при разных температурах (нагреватель и холодильник) для извлечения работы.
Работа — это передача энергии от двигателя к какому-то внешнему механизму без изменения энтропии механизма.
С другой стороны, тепло — это обмен энергией между рабочем телом и резервуаром, изменяющий энтропию резервуара. При слабой связи между резервуаром и рабочим телом тепло связано с температурой и может быть выражено как dQ = TdS, где dS — это изменение энтропии резервуaра.
В элементарном квантовом тепловом двигателе рабочее тело состоит из одной частицы. Такой двигатель удовлетворяют второму закону и поэтому также ограничен пределом эффективности Карно.
Когда рабочее тело приводится в контакт с резервуаром, то в рабочем теле изменяется заселенность энергетических уровней. Определяющим свойством резервуара является его способность довести рабочее тело до заданной температуры независимо от начального состояния тела.
В данном случае температура является параметром квантового состояния системы, а не макропараметром, как в классической термодинамике: мы можем говорить о температуре как о заселенности энергетических уровней.
В процессе обмена энергией с резервуаром тело обменивается еще и энтропией, поэтому энергетический обмен на этой стадии рассматривается как передача тепла.
Для примера рассмотрим квантовый цикл Отто, в котором рабочим телом будет выступать двухуровневая система. В такой системе имеются два энергетических уровня, каждый из которых может быть заселен; пусть энергия основного уровня E1, а возбужденного E2. Цикл Отто состоит из 4 стадий:
I. Расстояние между уровнями E1 и E2 увеличивается и становится Δ1 = E1 − E2.
II. Происходит контакт с нагревателем, система нагревается, то есть верхний энергетический уровень заселяется и изменяется энтропия рабочего тела. Это взаимодействия продолжается время τ1.
III. Происходит сжатие между уровнями E1 и E2, то есть происходит работа над системой, теперь расстояния между уровнями Δ2 = E1 − E2.
IV. Тело приводится в контакт с холодильником на время τ2, что дает ему возможность срелаксировать, опустошить верхний уровень. Теперь нижний уровень оказывается полностью заселен.
Здесь мы можем ничего не говорить о температуре рабочего тела, имеют значения лишь температуры нагревателя и холодильника. Совершенную работу можно записать как:
dW = (p0(τ1) − p1(τ2))(Δ1 − Δ2), (1)
где p0(1) — вероятность, что рабочее тело находилось в основном (возбужденном) состоянии. КПД данного квантового четырехтактного двигателя η = 1 − Δ1/Δ2.
Например, возможно построить квантовый двигатель, в котором роль рабочего тела играет сверхпроводящий кубит, а в качестве нагревателя и холодильника используются два нормальных резистора с разным сопротивлением.
Эти резисторы генерируют шум, обладающий характерной температурой: большой шум — нагреватель, маленький — холодильник.
Корректная работа такого двигателя была показана в работе ученых из университета Аалто в Финляндии.
В реализации цикла Отто разность между уровнями энергии можно модулировать постоянным магнитным потоком, то есть «сжимать» или «расширять» уровни, а включать взаимодействие с резервуарами отлично получалось короткими микроволновыми сигналами.
В 2015 году ученые из Еврейского университета Иерусалима подсчитали, что такие квантовые двигатели могут превзойти классические аналоги.
Эти вероятностные двигатели все еще следуют формуле эффективности Карно в терминах того, сколько работы они могут извлечь из энергии, проходящей между горячими и холодными телами. Но они способны извлекать работу гораздо быстрее.
Двигатель, сделанный из одного иона, был экспериментально продемонстрирован и представлен в 2016 году, хотя он не использовал квантовые эффекты для усиления мощности.
Недавно мы писали о том, что был построен квантовый тепловой двигатель на основе ядерного магнитного резонанса, чей КПД был очень близок к идеальному ηCarnot.
Квантовые тепловые машины можно использовать также для того, чтоб охлаждать как большие, так и микроскопически системы, такие как кубиты в квантовом компьютере.
Охладить микросистему значит уменьшить заселенности на возбужденных уровнях, уменьшить энтропию. Это можно сделать через те же термодинамические циклы, включающие в себя нагреватель и холодильник, но запущенные в обратном направлении.
В марте 2017 года была опубликована статья, в которой с помощью квантовой теории информации выводился третий закон термодинамики — утверждение о невозможности достижения абсолютной нулевой температуры.
Авторы статьи показали, что ограничение скорости охлаждения, препятствующее достижению абсолютного нуля, возникает из ограничения на то, как быстро информация может быть выкачана из частиц в объекте конечного размера.
Ограничение на скорость имеет прямое отношение к охлаждающим способностям квантовых холодильников.
Будущее квантовых двигателей
Скоро нас ждет расцвет квантовых технологий, и тогда квантовые тепловые машины могут сильно помочь.
Использовать кухонный холодильник для охлаждения микросистем не получится из-за его беспорядочной работы — в среднем температура в нем низкая, но локально она может достигать недопустимых значений.
Из-за тесной связи квантовой термодинамики с информацией мы в силах использовать наши знания (информацию) для совершения локальной работы — например, реализовать квантового демона Максвелла, используя многоуровневые системы, для охлаждения (очищения состояния) кубитов в квантовом компьютере.
Что касается квантовых двигателей большего масштаба, то утверждать, что такой двигатель придет на смену двигателю внутреннего сгорания, еще рано. Пока двигатели, состоящие из одного атома, имеют слишком низкую эффективность.
Однако интуитивно понятно, что при использовании макроскопической системы с множеством степеней свободы, мы сумеем извлечь лишь малую часть полезной работы, ведь такой системой можно управлять только в среднем.
В концепции квантовых двигателей появляется возможность управлять системами более эффективно.
На данный момент в науке о наноразмерных тепловых машинах есть множество как теоретических, так и инженерных вопросов. Например, большой проблемой являются квантовые флуктуации, способные создавать «квантовое трение», привнося лишнюю энтропию и уменьшая эффективность двигателя.
Сейчас физики и инженеры активно работают над оптимальным контролем квантового рабочего тела и созданием нанонагревателя и нанохолодильника. Рано или поздно квантовая физика поможет нам создать новый класс полезных устройств.
Михаил Перельштейн
Техника: Наука и техника: Lenta.ru
В России разработан неракетный нереактивный квантовый двигатель, который в ходе испытаний 3 марта 2018 года развил удельную силу тяги в 115 ньютонов на киловатт — в 165 раз выше, чем у известных жидкостных ракетных двигателей (ЖРД). Подобное утверждается в статье, опубликованной в последнем номере «Воздушно-космической сферы» — журнала из списка Высшей аттестационной комиссии (ВАК).
«Лента.ру» рассказывает о нарушающем законы физики устройстве и об авторах этой разработки.
Органы и колеса
В статье говорится о проведении испытаний двух изделий. Первое — «шасси на колесах с импульсным квантовым двигателем внутри типа КвД-1-2009 образца 2009 года с горизонтальной силой тяги с вращающимися рабочими органами». Второе — «антигравитатор» с КвД внутри с вертикальной тягой. Протокол контрольных испытаний выложен на сайте группы компаний «Квантон», занимающейся разработкой «квантового двигателя».
Конструктивно первое изделие напоминает двигатель EmDrive, впервые продемонстрированный в 2002 году британским инженером Роджером Шойером. Зарубежное устройство состоит из магнетрона и резонатора, а внешне напоминает положенное на бок ведро. Изделие работает от источника электрической энергии и не требует использования жидкого топлива. Конструкция позволяет, по словам создателя, преобразовывать излучение в тягу.
Поскольку из резонатора двигателя при его работе не фиксируются выбросы фотонов или других частиц, которые могли бы объяснить появление тяги, заявляемые возможности EmDrive нарушают закон сохранения импульса.
По этой причине ученые справедливо отмечают, что авторы экспериментов с таким двигателем пренебрегают множеством факторов, в частности, силами Лоренца, порожденными действием магнитного поля Земли на находящиеся под током кабели электрического усилителя, питающего EmDrive, и проводят некорректные расчеты силы тяги.
Российские авторы утверждают, что не только нашли объяснение работе квантового двигателя, но и сумели на порядки, по сравнению с зарубежными (американскими и китайскими) аналогами, увеличить якобы развиваемую им силу тяги. «В основу работы нереактивного квантового двигателя (КвД) положена квантованная структура космического вакуума из квантонов, от которой можно отталкиваться с помощью КвД, создавая новые нереактивные силы тяги в соответствии с фундаментальной теорией суперобъединения», — говорится во втором абзаце публикации.
В статье утверждается, что «будущее принадлежит квантовым двигателям и другим космическим технологиям», а также то, что «в настоящее время Россия является лидером в разработке теории и конструкций квантовых двигателей».
В протоколе контрольных испытаний заявляется, что переход от ЖРД к КвД позволит «более чем в сто раз, а не в десять раз, как объявил Илон Маск», снизить пусковые затраты.
Представленные в статье и протоколе численные результаты испытаний не сопровождаются расчетом погрешности измерений. Придать правдоподобность своим заявлениям авторы пытаются, упоминая известных ученых и знакомые всем научные организации.
В частности, в публикации утверждается, что «Российская академия наук на своем сайте сделала заявление, что квантовый двигатель не противоречит законам физики». Соответствующая ссылка в статье ведет на перепечатанную в сентябре 2017 года на сайте академии новость URA.RU, в которой приводится цитата российского математика Георгия Малинецкого, утверждающего, что EmDrive «не расходует рабочее тело, он имеет дело с полем, поэтому для него не нужно ракетное топливо везти на орбиту». Таким образом специалист прокомментировал сообщение телеканал CCTV-2 о создании китайскими учеными рабочего образца двигателя EmDrive.
Главные лица
Интерес представляет состав авторского коллектива, подготовившего публикацию, и участников «контрольных испытаний». Список авторов журнальной статьи состоит из семи человек. Три из них представляют «Квантон», в том числе кандидат технических наук, научный руководитель и главный конструктор группы компаний Владимир Леонов. Еще два автора связаны с ракетно-космической корпорацией «Энергия» — речь идет о кандидате технических наук, советнике Олеге Бакланове и инженере-испытателе, заслуженном испытателе космической техники Александре Кубасове.
В число авторов также входят бывший директор «Воронежского механического завода», сопредседатель Совета директоров при Председателе Совмина СССР, член Высшего экономического совета при Верховном Совете РСФСР, автор книг «Где честь живет и нечисть» и «Когда спит честь, бал правит нечисть» Георгий Костин и член экспертного совета Комитета по обороне Государственной Думы, генерал-лейтенант Михаил Саутин.
Число присутствующих на контрольных испытаниях лиц, подписавших соответствующий протокол, больше на три человека.
В нем, в частности, значится еще один Владимир Леонов — журналист еженедельника «Аргументы недели». С его публикациями, например, небезынтересной статьей «Победить тяготение» от марта 2018 года, можно познакомиться на страницах издания.
Революционные технологии
В предисловии к номеру главный редактор «Воздушно-космической сферы» Кирилл Плетнер отметил, что «идея антигравитации, безусловно, спорная. Поэтому, публикуя статью о двигателе, устроенном на новых физических принципах, мы не претендуем на истину в последней инстанции, а лишь приглашаем читателя к дискуссии». Там же главред пишет, что «сегодня есть стойкое ощущение, что мы находимся на границе научного прорыва. Ведь то, что мы сделали в освоении космоса, было реализацией проектов, которые создавались еще при Сергее Павловиче Королеве. Сейчас нужны новые идеи, новое мышление, новые революционные технологии».
Материалы по теме:
Однако такая предусмотрительная оговорка никак не может снимать с издания ответственности за содержимое публикации.
В феврале «Воздушно–космическая сфера» вошел в перечень рецензируемых научных изданий ВАК и рекомендован для публикаций соискателей ученой степени — аспирантов и докторантов. Об этом сообщил тот же Плетнер, а еще ранее — газета «Военно-промышленный курьер». На сайте журнала отмечается, что все статьи, представленные в нем, соответствуют номенклатуре специальностей научных работников по направлению 05.07.00 «Авиационная и ракетно-космическая техника», а само издание адресовано специалистам, занимающимся научными и промышленными аспектами строительства воздушно-космической обороны Российской Федерации.
По размещенному на сайте ВАК перечню, с 12 февраля в журнале «Воздушно-космическая сфера», согласно распоряжению Минобрнауки, могут публиковаться основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата и доктора наук по специальности «Инновационные технологии в аэрокосмической деятельности (технические науки)».
Нельзя не отметить, что идеологом создания газеты и журнала выступил король космического государства Асгардия Игорь Ашурбейли, ранее возглавлявший конструкторское бюро «Алмаз-Антей», разработавшее ракетные комплексы С-300 и С-400.
В августе 2018 года «Военно-промышленный курьер» с 15-летием поздравил министр обороны Сергей Шойгу, также указав на значимость журнала: «За эти годы газета сумела зарекомендовать себя как авторитетный источник аналитической информации. Неоспоримые достоинства «Военно-промышленного курьера» — объективность, полнота и достоверность предоставляемых сведений — сделали его одним из самых популярных тематических изданий в нашей стране».
После публикации в феврале официальным журналом Минобороны «Армейский вестник» статьи о «парапсихологическом спецназе» подобная оценка «Военно-промышленного курьера» не должна вызывать удивления.
Научиться квантовать
Деятельность Леонова периодически привлекает внимание экспертов и журналистов. Последний раз это произошло в марте, когда «Военно-промышленный курьер» опубликовал материалы круглого стола, посвященного квантовому двигателю. В статье газеты говорилось, что по инициативе заместителя гендиректора «Роскосмоса» Ивана Харченко разработано техническое задание (ТЗ), предполагающее создание демонстрационного образца квантового двигателя.
Материалы по теме:
«Личность Леонова для нас известная, он неоднократно к нам обращался с идеей внедрить инновационный антигравитационный двигатель, созданный на основе той теории, которую он, как декларирует, разработал. Некая теория суперобъединения. Нами действительно сформировано техническое задание, но не на разработку антигравитационного двигателя, как пишут СМИ, а на экспериментальную проверку достоверности тех явлений, о которых заявляет автор», — прокомментировал РИА Новости материал газеты советник гендиректора «Роскосмоса» Дмитрия Рогозина по науке Александр Блошенко.
По его словам, в госкорпорации «знают позицию РАН по этому вопросу и разделяют ее сдержанность по поводу того, что Леонов разработал некую теорию суперобъединения, которая в корне меняет все существующие на сегодняшний день теории. Некий аналог теории струн. В то же время мы понимаем, что тот, кто первый научится квантовать гравитационное поле, без всяких сомнений заслуживает Нобелевскую премию».
Блошенко напомнил, что даже к устоявшейся планетарной модели атома первоначально у ученых было скептическое отношение, поэтому нельзя сразу априори отвергать новые теории. ТАСС советник заявил, что «нам интересно измерить тягу и энергопотребление антигравитационного двигателя Леонова».
Пятая сила
По мнению Леонова, по космическому пространству «разлита» колоссальная энергия «в виде глобального электромагнитного поля с очень мелкой дискретностью (квантованностью), о котором ранее ничего не было известно». «Это глобальное поле открыто мной в 1996 году как пятая фундаментальная сила (суперсила) в виде сверхсильного электромагнитного взаимодействия (СЭВ). Его носителем является квант пространства-времени (квантон), размеры которого на десять порядков меньше атомного ядра, но он концентрирует энергию, намного превышающую ядерную», — говорит изобретатель КвД-1-2009.
Леонов уверяет, что «квантовый двигатель отталкивается от глобального поля СЭВ за счет деформации в нужном направлении (искривления по Эйнштейну) квантованного пространства-времени, создавая искусственную силу тяготения (тяги)».
Создатель КвД-1-2009 уверен, что современная наука неправильно интерпретирует природу темной материи, которая якобы и является реальным проявлением пятой силы.
Обновленный президиум
Взгляды Леонова противоречат современной физике и вызывают резко негативную реакцию в экспертном сообществе. Согласно современным представлениям, подтвержденным многочисленными экспериментами, в природе существуют только четыре фундаментальных взаимодействия (гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое), а нарушение закона сохранения импульса принципиально невозможно.
Материалы по теме:
Достаточно точно отношение к деятельности Леонова, а также реакции Блошенко на квантовый двигатель и лженаучную «теорию суперобъединения», которую советник госкорпорации решился сравнить с теорией струн, высказал в беседе с «Радио Свобода» кандидат технических наук Вадим Лукашевич: «Идея этого двигателя противоречит всем законам физики, законам Вселенной. Люди, которые изобретают вечные двигатели, телепортацию или машины времени, были всегда.
Это все равно что доказывать, что Земля плоская и стоит на трех слонах».
По его мнению, госкорпорации в лице Блошенко следовало бы вообще игнорировать инициативы Леонова. Как заметил Лукашевич, «если бы они (вечные двигатели, телепортация и машина времени — прим. «Ленты.ру») были возможны, не работала бы вся остальная физика», а, реагируя на Леонова и подобных ему лиц, «мы пытаемся с точки зрения здравого смысла оценить действия идиотов».
Некоторые из последних, между прочим, не только продолжают свою работу, но и получили повышение. Согласно поступившей в распоряжение ТАСС копии приказа Рогозина от 3 апреля, «Роскосмос» обновил состав своего Научно-технического совета, включив в него Блошенко, который займется курированием секции «создания робототехнических систем космического назначения».
квантовых двигателей с запутанностью в качестве топлива? — ScienceDaily
Чтобы заставить автомобиль двигаться, его двигатель сжигает бензин и преобразует энергию тепла горящего бензина в механическую работу.
Однако при этом энергия тратится впустую; типичный автомобиль преобразует только около 25 процентов энергии бензина в полезную энергию, чтобы заставить его работать.
Двигатели, работающие со 100-процентным КПД, по-прежнему являются скорее научной фантастикой, чем научным фактом, но новое исследование Университета Рочестера может еще на один шаг приблизить ученых к демонстрации идеальной передачи энергии внутри системы.
Эндрю Джордан, профессор физики из Рочестера, недавно получил трехлетний грант в размере 1 миллиона долларов от Фонда Темплтона на исследование механизмов квантовых измерений — двигателей, использующих принципы квантовой механики для работы со 100-процентной эффективностью. Исследование, которое будет проводиться совместно с ведущими исследователями во Франции и Вашингтонском университете в Сент-Луисе, может ответить на важные вопросы о законах термодинамики в квантовых системах и внести свой вклад в такие технологии, как более эффективные двигатели и квантовые компьютеры.
«Грант касается нескольких Больших Вопросов о мире природы, — говорит Джордан.
ФИЗИКА НА МАЛОМ УРОВНЕ
Исследователи ранее описывали концепцию квантовых измерительных машин, но эта теория так и не была продемонстрирована экспериментально.
реклама
В микроскопическом квантовом мире частицы обладают уникальными свойствами, которые не согласуются с известными нам классическими законами физики. Джордан и его коллеги будут использовать сверхпроводящие схемы для разработки экспериментов, которые можно будет проводить в реалистичной квантовой системе. С помощью этих экспериментов исследователи изучат, как законы энергии, работы, мощности, эффективности, тепла и энтропии действуют на квантовом уровне. Эти концепции в настоящее время плохо изучены в квантовой механике.
ЗАДАЧИ ДЛЯ МИКРОСКОПИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
Квантовые измерительные машины могут работать в микроскопической среде для задач очень малой мощности, таких как перемещение вокруг атома или зарядка миниатюрной схемы.
В этих возможностях они могут быть важными компонентами квантовых компьютеров.
Однако в настоящее время этот тип двигателя нельзя использовать для приведения в движение автомобиля; мощность в механизме квантовых измерений измеряется в единицах пиковатта, где один пиковатт равен одной миллионной миллионной доле ватта. Для сравнения, мощность одной лампочки составляет около 60 Вт.
«Упомянутые масштабы мощности — такие числа, как пиковатт — указывают на большой разрыв между нашими человеческими интересами и этими крошечными двигателями», — говорит Джордан.
По словам Джордана, одним из способов создания механизмов квантовых измерений для деятельности человека может быть «массовое распараллеливание». «Каждое устройство вырабатывает лишь незначительное количество энергии, но, заставив миллиарды из них работать вместе, вы могли бы создать макроскопический двигатель с нуля».
НОВЫЙ ВИД ТОПЛИВА
Джордан и его команда также займутся другой важной областью исследований: как можно извлечь работу из системы, используя запутанность в качестве топлива.
В запутанности — одном из основных понятий квантовой физики — свойства одной частицы взаимосвязаны со свойствами другой, даже когда частицы разделены большим расстоянием. Использование запутанности в качестве топлива имеет, возможно, революционную особенность создания нелокального двигателя; половина двигателя может быть в Нью-Йорке, а другая половина — в Калифорнии. Энергия не удерживалась бы ни одной из половин системы, но две части все же могли бы делиться энергией, чтобы умело питать обе половины.
«Мы покажем, что двигатель в принципе может быть абсолютно эффективным», — говорит Джордан. «То есть была бы идеальная передача энергии от измерительного прибора к квантовой системе».
Награда фонда отражает значение квантовой технологии как национального и международного приоритета, а также ключевую роль Рочестера в предприятии. Сам проект основан на богатой истории исследований Рочестера в области оптики и физики и текущих усилиях по лучшему разгадыванию тайн квантовой механики.
«У Университета Рочестера есть сильные стороны в области квантовой физики, и он действительно был родиной области квантовой оптики», — говорит Джордан. «У нас есть хорошая коллекция качественных исследователей, историческое наследие квантовой физики и постоянная университетская поддержка квантовой физики».
История Источник:
Материалы предоставлены University of Rochester . Оригинал написан Линдси Валич. Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.
ПРИВОДСТВО ДВИГАТЕЛЬ С Квантовой Когерентностью
Просмотр
- Департамент физики и астрономии, Университет Эксетера, Эксетер, Соединенное Королевство
Джанет Андерс
Эксперименты демонстрируют увеличение мощности квантовых тепловых двигателей за счет квантовой когерентности по сравнению с их классическими аналогами.
АПС/Алан Стоунбрейкер
Рисунок 1: Эскиз, показывающий цикл квантового двигателя, реализованного с азотно-вакансионным (NV) центром. Верхняя сфера (оранжевая) на каждом изображении указывает на состояние центра NV в начале каждого цикла, которое является либо классическим (слева), либо квантовым (справа), в зависимости от того, является ли начальное состояние квантово-когерентным. Во время рабочего хода (желтая стрелка) центр NV теряет энергию, обозначенную Δz. Потерянная энергия берется из НВ-центра в виде работы. Затем к центру прикладывается зеленый микроволновый импульс (зеленая стрелка), соединяющий его с двумя термальными ваннами, что восстанавливает исходное состояние. Затем цикл начинается снова. Набросок, показывающий цикл квантового двигателя, реализованного с центром азот-вакансия (NV). Верхняя сфера (оранжевая) на каждом изображении указывает на состояние центра NV в начале каждого цикла, которое является либо классическим (слева), либо квантовым (справа), д.
.. Показать еще
АПС/Алан Стоунбрейкер
Рис. 1: Эскиз, показывающий цикл квантового двигателя, реализованного с азотно-вакансионным (NV) центром. Верхняя сфера (оранжевая) на каждом изображении указывает на состояние центра NV в начале каждого цикла, которое является либо классическим (слева), либо квантовым (справа), в зависимости от того, является ли начальное состояние квантово-когерентным. Во время рабочего хода (желтая стрелка) центр NV теряет энергию, обозначенную Δz. Потерянная энергия берется из НВ-центра в виде работы. Затем к центру прикладывается зеленый микроволновый импульс (зеленая стрелка), соединяющий его с двумя термальными ваннами, что восстанавливает исходное состояние. Затем цикл начинается снова.
×
Посмотрите в окно поезда, движущегося со скоростью 180 миль в час, и вы сразу же почувствуете мощь современных двигателей. Благодаря лучшему пониманию законов термодинамики и большому количеству инженерной изобретательности эти машины прошли долгий путь с 1829 года, когда Стивенсон Rocket — ранний паровоз — установил рекорд скорости локомотива, достигнув скорости 30 миль в час.
Существует совершенно другой способ увеличения мощности двигателя, но для двигателей микроскопического масштаба, состоящих из атомов, а не макроскопических двигателей поездов [1]. Для крошечных двигателей, работающих в квантовом режиме, исследователи предсказали квантовое повышение эффективности двигателя [2]. Используя ансамбль азотно-вакансионных (NV) центров в алмазе для реализации квантовой тепловой машины, Джеймс Клацов из Оксфордского университета в Великобритании и его коллеги впервые измерили это увеличение квантовой мощности [3].
Классические тепловые двигатели генерируют энергию, выполняя серию «тактов», которые преобразуют тепловую энергию (тепло) в механическую энергию (работу). Аналогичным образом работают квантовые тепловые двигатели. Но в отличие от своих классических аналогов, энергетические состояния так называемого рабочего тела квантового двигателя, которое действует как пар в паровом двигателе, могут находиться в когерентной суперпозиции. Эта возможность заставила исследователей задаться вопросом, могут ли квантовые двигатели работать лучше, чем классические.
В 2015 году Раам Уздин из Еврейского университета в Иерусалиме и его коллеги ответили на этот вопрос, предсказав увеличение мощности квантовых двигателей, работающих в так называемом пределе малого действия [2]. В этом пределе ходы двигателя короткие, что приводит к небольшому теплообмену и обмену работой, а квантовая когерентность между различными энергетическими состояниями двигателя становится более заметной. Уздин и его коллеги предположили, что эта согласованность приводит к увеличению мощности квантового двигателя по сравнению с сопоставимым классическим аналогом. Поскольку предсказания подтвердились, была поставлена задача экспериментально продемонстрировать это квантовое преимущество.
Эксперименты, проведенные Клацовым и его коллегами, решают эту задачу [3]. В установке команды два самых низких энергетических уровня центра NV, 0 и +1, обеспечивают два уровня кубита и действуют как рабочая жидкость. Высшие энергетические уровни играют роль двух термальных ванн с разной температурой.
Поместив NV-центры в магнитное поле, исследователи изменили энергетическое упорядочение энергетических уровней 0 и +1, создав начальное состояние с «инверсией населенности». Кроме того, в этом состоянии может быть квантовая когерентность — это означает, что между амплитудами вероятности для двух уровней кубита существует фиксированная связь. Команда осуществила рабочий ход, подав микроволновый импульс, который повернул кубит на угол 𝜃, что эквивалентно корректировке амплитуд (рис. 1). Это вращение уменьшало энергию центра NV на величину Δz, и эта энергия извлекалась в виде работы. Наконец, команда поразила центры зеленым лазером, который соединил уровни кубитов с термальными ваннами и в конечном итоге заставил центры вернуться в исходное состояние кубитов. Этот двухтактный цикл повторялся более 100 000 раз для циклов продолжительностью от 30 до 180 нс.
Для малого 𝜃 — предела малого действия — Клацов и его коллеги обнаружили, что выходная мощность их двигателя с квантовой когерентностью была значительно выше, чем рассчитанная для того же двигателя без начальной когерентности.
Это увеличение возникает из-за большего значения Δz (рис. 1).
Эти эксперименты представляют собой первую демонстрацию квантового усовершенствования термодинамической тепловой машины, сейсмическое достижение, сравнимое с первой передачей криптографического ключа с использованием квантового кодирования и первой факторизацией числа с использованием алгоритма Шора. Следует, однако, отметить, что команда делает вывод о выходной мощности двигателя только косвенно, посредством измерений вынужденного излучения из центров NV. Прямые измерения работы квантового двигателя, в принципе, возможны, как недавно было продемонстрировано в эксперименте квантового демона Максвелла, реализованном со сверхпроводящим кубитом [4]. Но малые углы поворота центрального двигателя NV дают очень маленькую выходную мощность, что делает невозможным прямое измерение работы.
Хотя представленные здесь результаты согласуются с предсказаниями 2015 г., сделанными в Ref. [2], их связь с другими недавними теоретическими предсказаниями может сбивать с толку.
Связанное с этим исследование 2016 года показало, что квантовую когерентность можно использовать как «топливо» для работы [5]. Исследование подразумевало, что воссоздание согласованности требует той же работы, что и при использовании когерентности вверх, что указывает на нулевой цикл. Но этот анализ включал только одну тепловую ванну, в то время как двигатель NV-center соединяется с двумя ваннами при двух разных температурах. В движке Клацова когерентность создается, а затем снижается, но никогда полностью не устраняется. В целом, эта операция приводит к тому, что чистый результат работы квантового двигателя больше, чем у сравнимого классического двигателя. Стоит также отметить, что, поскольку Клацов и его коллеги используют две термальные ванны, их система коренным образом отличается от той, что была смоделирована в исследовании 2014 года, предсказывающем «каталитическую когерентность» — способность использовать когерентность и одну термальную ванну для циклического рисования без деградации.
Это предсказание нарушает второй закон термодинамики, и оно было основано на аргументе, который не учитывал корреляции между повторными итерациями цикла двигателя [6].
Хотя работа Клацова и его коллег является поистине новаторской, есть основания относиться к результатам с осторожностью и пока не заявлять, что роль когерентности в квантовых тепловых двигателях исчерпана. Команда произвела только одну точку данных в режиме, исключаемом классической физикой, и поэтому необходимы дополнительные исследования, чтобы полностью раскрыть значение квантовой когерентности для термодинамики. Мы можем ожидать шквала новых экспериментов, которые пытаются обеспечить измерения сигнатур квантовой термодинамики, как на установленных квантовых платформах, таких как сверхпроводящие кубиты [4] и захваченные атомы [1], так и на новых и будущих платформах, которые включают оптомеханические установки с подвешенными нанотрубки [7], электромеханические двигатели [8] и оптические нанодвигатели из левитирующих наночастиц [9].
]. На данный момент эти сложные эксперименты в первую очередь послужат исследованию фундаментальной физики. Но кто знает, может быть, через два столетия мы оглянемся на это время как на рождение квантового когерентного двигателя.
Это исследование опубликовано в Physical Review Letters .
Ссылки
- Роснагель Дж., Докинз С.Т., Толацци К.Н., Абах О., Лутц Э., Шмидт-Калер Ф. и Зингер К. Одноатомная тепловая машина, Наука 352 , 325 (2016).
- Р. Уздин, А. Леви, Р. Кослофф, «Эквивалентность квантовых тепловых машин и квантово-термодинамических сигнатур», Phys. X 5 , 031044 (2015).
- Дж. Клацов, Дж. Н. Беккер, П. М. Ледингем, К. Вайнцетль, К. Т. Качмарек, Д. Дж. Сондерс, Дж. Нанн, И. А. Уолмсли, Р. Уздин и Э. Поэм, «Экспериментальная демонстрация квантовых эффектов в работе микроскопического тепла». двигатели», физ. Преподобный Летт. 122 , 110601 (2019).
- Н. Котте, С. Жезуэн, Л. Брето, П. Кампань-Ибарк, К.
Фишо, Ж. Андерс, А. Оффевес, Р. Азуи, П. Рушон и Б. Юар, «Наблюдение за квантовой максвелловской демон за работой», Proc. Натл. акад. науч. 114 , 7561 (2017). - П. Каммерландер и Дж. Андерс, «Когерентность и измерение в квантовой термодинамике», Sci. Респ. 6 , 22174 (2016).
- Дж. Ваккаро, С. Кроук и С. Барнетт, «Является ли когерентность каталитическим?», J. Phys. А 51 , 414008 (2018).
- Арес Н., Пей Т., Маваланкар А., Мергенталер М., Уорнер Дж. Х., Бриггс Г. А. Д., Лэрд Э. А. Резонансная оптомеханика с вибрирующей углеродной нанотрубкой и радиоприемником. -частотный резонатор», Физ. Преподобный Летт. 117 , 170801 (2016).
- Д. Голдуотер, Б. Стиклер, Л. Мартинец, Т. Э. Нортап, К. Хорнбергер и Дж. Миллен, «Левитирующая электромеханика: полностью электрическое охлаждение заряженных нано- и микрочастиц», Quantum Sci. Технол. 4 , 024003 (2019).
- A. Dechant, N. Kiesel, E. Lutz, «Всеоптический наномеханический тепловой двигатель», Phys. Преподобный Летт. 114 , 183602 (2015).
Фишо, Ж. Андерс, А. Оффевес, Р. Азуи, П. Рушон и Б. Юар, «Наблюдение за квантовой максвелловской демон за работой», Proc. Натл. акад. науч. 114 , 7561 (2017).
Преподобный Летт. 114 , 183602 (2015).Об авторе
Джанет Андерс — адъюнкт-профессор квантовой теории Эксетерского университета, Великобритания. Она защитила докторскую диссертацию. в Национальном университете Сингапура и ее постдокторская работа с Дэном Брауном в Университетском колледже Лондона. Ее исследования охватывают квантовую термодинамику, область на стыке квантовой теории информации и классической статистической механики, а также квантовые вычисления и криптографию, оптомеханику и оптическую левитацию.
Читать PDF
Обменные области
квантовая физика. Статистическая физика
Связанные статьи
Статистическая физика
Без укрытия для Lazy Sopenders
. это на защите. Подробнее »
Квантовая физика
Кремниевые волноводы с атомной имплантацией Получить обновление