Μια ομάδα φυσικών στο King’s College London δημιούργησε την πιο καυτή μηχανή στον κόσμο και ταυτόχρονα τη μικρότερη που έχει φτιαχτεί ποτέ. Το επίτευγμα αυτό, που περιγράφεται σε επερχόμενη δημοσίευση στο περιοδικό Physical Review Letters, επαναπροσδιορίζει τον τρόπο με τον οποίο οι επιστήμονες αντιλαμβάνονται τη Θερμοδυναμική και τις μηχανές στο μικροσκοπικό επίπεδο.
Η νέα αυτή «μηχανή» δεν θυμίζει τίποτα από όσα γνωρίζουμε. Δεν έχει έμβολα, ούτε τροχούς, ούτε κινητήρες καύσης. Είναι εγκλωβισμένη μέσα σε ένα σωματίδιο μικρότερο από ένα κύτταρο, αιωρούμενο σε ένα είδος ηλεκτρικού κλωβού. Παρότι αόρατη στο γυμνό μάτι, η μικροσκοπική αυτή διάταξη φτάνει σε θερμοκρασίες που ξεπερνούν κατά πολύ οτιδήποτε υπάρχει στη Γη, αγγίζοντας τα 10 εκατομμύρια Kelvin, δηλαδή περίπου τρεις φορές υψηλότερη από την εξωτερική ατμόσφαιρα του Ήλιου, την περίφημη κορώνα.
Η επικεφαλής της μελέτης, Molly Message, υποψήφια διδάκτορας στο King’s College London, εξηγεί πως το πείραμα ανοίγει νέους δρόμους για τη Φυσική:
Μελετώντας τη θερμοδυναμική σε τόσο αφύσικα μικρή κλίμακα, μπορούμε να σχεδιάσουμε καλύτερες μηχανές και να δοκιμάσουμε τα όρια της κατανόησής μας για τη φύση.
Η λειτουργία της μικροσκοπικής αυτής μηχανής βασίζεται σε ένα φαινόμενο που θα μπορούσε να χαρακτηριστεί «ανομία» της φυσικής. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ηλεκτρόδια για να παγιδεύσουν και να αιωρήσουν το σωματίδιο σε σχεδόν απόλυτο κενό. Όταν άρχισαν να εφαρμόζουν ένα «θορυβώδες» ηλεκτρικό σήμα —μια ασταθή, τυχαία μεταβαλλόμενη τάση— το σωματίδιο άρχισε να πάλλεται με ολοένα αυξανόμενη ένταση. Το αποτέλεσμα ήταν μια εκρηκτική αύξηση θερμοκρασίας σε κλίμακα που μέχρι πρότινος φαινόταν αδύνατη.
Διαβάστε επίσης
Τα δεδομένα που κατέγραψαν οι ερευνητές προκαλούν σύγχυση. Σε ορισμένους κύκλους λειτουργίας, η μηχανή έδειχνε να παράγει περισσότερη ενέργεια απ’ όση κατανάλωνε, καταστρατηγώντας έτσι τον πρώτο νόμο της θερμοδυναμικής. Άλλες φορές, το σωματίδιο ψυχόταν αναίτια, ακόμη κι όταν οι συνθήκες θα έπρεπε να το θερμαίνουν. Αυτές οι απρόβλεπτες μεταβολές αποδίδονται στις χαοτικές δυνάμεις που κυριαρχούν σε τόσο μικροσκοπικά συστήματα — φαινόμενα που απλώς δεν εμφανίζονται στο μακροσκοπικό κόσμο.
Η ομάδα του King’s College δεν περιμένει φυσικά να δούμε τέτοιες μηχανές. Το μέγεθος και η φύση του συστήματος τις καθιστούν πρακτικά άχρηστες για τη μακροσκοπική τεχνολογία. Όμως οι θεωρητικές εφαρμογές είναι τεράστιες. Οι ερευνητές θεωρούν ότι τέτοια μικροσκοπικά «εργοστάσια» ενέργειας μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως προσομοιωτές για φαινόμενα που σήμερα είναι εξαιρετικά δύσκολο να αναπαραχθούν υπολογιστικά.
Ένα παράδειγμα είναι το πώς διπλώνονται οι πρωτεΐνες στο ανθρώπινο σώμα, μια διαδικασία που εκτυλίσσεται σε χρόνο χιλιοστών του δευτερολέπτου, ενώ οι ατομικές κινήσεις που την καθορίζουν συμβαίνουν σε νανοδευτερόλεπτα. «Αυτό το χάσμα χρονικής κλίμακας καθιστά σχεδόν αδύνατη την προσομοίωση σε υπολογιστές», εξηγεί ο Jonathan Pritchett, μεταδιδακτορικός ερευνητής και συν-συγγραφέας της μελέτης. «Παρατηρώντας όμως τη συμπεριφορά ενός τέτοιου μικροσωματιδίου και μεταφράζοντάς τη σε εξισώσεις, μπορούμε να ξεπεράσουμε αυτό το εμπόδιο».
Η ανακάλυψη αυτή δεν αφορά απλώς μια νέα μηχανή, αλλά μια νέα θεώρηση της ενέργειας και της θερμότητας στο μικροσκοπικό επίπεδο. Οι φυσικοί γνωρίζουν εδώ και καιρό ότι οι κανόνες της κλασικής φυσικής παύουν να ισχύουν όταν πλησιάζουμε στα όρια του ατομικού ή υποατομικού κόσμου. Ωστόσο, η πρακτική επίδειξη μιας «μηχανής» που λειτουργεί —και ενίοτε παραβιάζει— αυτούς τους κανόνες, ανοίγει νέους ορίζοντες.
Ίσως το πιο ενδιαφέρον σημείο είναι ότι το πείραμα αποκαλύπτει μια εντελώς διαφορετική λογική πίσω από την έννοια της θερμότητας. Αντί να τη βλέπουμε ως απλή μεταφορά ενέργειας, η μικροθερμοδυναμική δείχνει πως πρόκειται για ένα παιχνίδι πιθανοτήτων, όπου η τύχη και οι κβαντικές διακυμάνσεις έχουν τον τελευταίο λόγο.
[source]
