Värme strömmar från varma till kalla föremål. När en varm och en kall kropp är i termisk kontakt, de utbyter värmeenergi tills de når termisk jämvikt, med den varma kroppen som svalnar och den kalla kroppen värms upp. Detta är ett naturligt fenomen vi upplever hela tiden. Det förklaras av termodynamikens andra lag, som säger att den totala entropin i ett isolerat system alltid tenderar att öka med tiden tills den når ett maximum. Entropi är ett kvantitativt mått på störningen i ett system. Isolerade system utvecklas spontant mot allt mer oordnade tillstånd och brist på differentiering.

Ett experiment utfört av forskare vid Brazilian Center for Research in Physics (CBPF) och Federal University of the ABC (UFABC), såväl som medarbetare vid andra institutioner i Brasilien och på andra håll, har visat att kvantkorrelationer påverkar hur entropin fördelas mellan delar i termisk kontakt, vända riktningen för den så kallade "tidens termodynamiska pil".

Med andra ord, värme kan flöda spontant från ett kallt föremål till ett varmt föremål utan att behöva investera energi i processen, som krävs av ett hushållskylskåp. En artikel som beskriver experimentet med teoretiska överväganden har precis publicerats i Naturkommunikation .

Första författaren till artikeln, Kaonan Micadei, avslutade sin Ph.D. under ledning av professor Roberto Serra och bedriver nu postdoktoral forskning i Tyskland. Serra, också en av författarna till artikeln, fick stöd av FAPESP via Brasiliens National Institute of Science and Technology in Quantum Information. FAPESP delade också ut två forskningsanslag kopplade till projektet till en annan medförfattare, Gabriel Teixeira Landi, en professor vid University of São Paulos Physics Institute (IF-USP).

"Korrelationer kan sägas representera information som delas mellan olika system. I den makroskopiska värld som beskrivs av klassisk fysik, tillförsel av energi utifrån kan vända värmeflödet i ett system så att det flyter från kallt till varmt. Detta är vad som händer i ett vanligt kylskåp, till exempel, " berättade Serra för Agência FAPESP.

"Det är möjligt att säga att i vårt nanoskopiska experiment, kvantkorrelationerna gav en effekt som var analog med tillförd energi. Flödesriktningen vändes om utan att bryta mot termodynamikens andra lag. Tvärtom, om vi tar hänsyn till delar av informationsteori när vi beskriver överföringen av värme, vi hittar en generaliserad form av den andra lagen och visar kvantkorrelationernas roll i processen."

Experimentet utfördes med ett prov av kloroformmolekyler (en väteatom, en kolatom och tre kloratomer) markerade med en kol-13 isotop. Provet späddes i lösning och studerades med en kärnmagnetisk resonansspektrometer, liknar MRI-skannrar som används på sjukhus men med ett mycket starkare magnetfält.

"Vi undersökte temperaturförändringar i spinn av kärnorna i väte- och kolatomerna. Kloratomerna hade ingen materiell roll i experimentet. Vi använde radiofrekvenspulser för att placera spinn av varje kärna vid en annan temperatur, en kylare, ytterligare en varmare. Temperaturskillnaderna var små, i storleksordningen tiotals miljarddelar av 1 Kelvin, men vi har nu tekniker som gör att vi kan manipulera och mäta kvantsystem med extrem precision. I detta fall, vi mätte radiofrekvensfluktuationerna som produceras av atomkärnorna, sa Serra.

Forskarna undersökte två situationer:i en, väte- och kolkärnorna började processen okorrelerat, och i den andra, de var från början kvantkorrelerade.

"I det första fallet, med kärnorna okorrelerade, vi såg värme strömma i den vanliga riktningen, från varmt till kallt, tills båda kärnorna hade samma temperatur. På sekunden, med kärnorna initialt korrelerade, vi såg värme strömma i motsatt riktning, från kallt till varmt. Effekten varade några tusendelar av en sekund, tills den initiala korrelationen förbrukades, " förklarade Serra.

Den mest anmärkningsvärda aspekten av detta resultat är att det föreslår en process av kvantkylning där tillsatsen av extern energi (som görs i kylskåp och luftkonditioneringsapparater för att kyla en specifik miljö) kan ersättas av korrelationer, dvs. ett informationsutbyte mellan objekt.

Maxwells demon

Tanken att information kan användas för att vända värmeflödets riktning – med andra ord, att åstadkomma en lokal minskning av entropin – uppstod i klassisk fysik i mitten av artonhundratalet, långt innan informationsteorin uppfanns.

Det var ett tankeexperiment som föreslogs 1867 av James Clerk Maxwell (1831-1879), WHO, bland annat, skapade de berömda klassiska elektromagnetismekvationerna. I detta tankeexperiment, som väckte en het kontrovers vid den tiden, den store skotske fysikern sa att om det fanns en varelse som kan veta hastigheten för varje molekyl i en gas och att manipulera alla molekyler i mikroskopisk skala, denna varelse skulle kunna dela upp dem i två mottagare, placera snabbare än genomsnittet molekyler i en för att skapa ett varmt fack och långsammare än genomsnittet molekyler i den andra för att skapa ett kallt fack. På detta sätt, en gas som initialt var i termisk jämvikt på grund av en blandning av snabbare och långsammare molekyler skulle utvecklas till ett differentierat tillstånd med mindre entropi.

Maxwell avsåg att tankeexperimentet skulle bevisa att termodynamikens andra lag bara var statistisk.

"Varet han friade, som var kapabel att ingripa i den materiella världen på molekylär eller atomär skala, blev känd som "Maxwells demon". Det var en fiktion som uppfanns av Maxwell för att presentera hans synvinkel. Dock, vi kan nu faktiskt arbeta på atomär eller ännu mindre skala, så att vanliga förväntningar ändras, sa Serra.

Experimentet som utförts av Serra och medarbetare och som beskrivs i den nyss publicerade artikeln är en demonstration av detta. Det återgav inte Maxwells tankeexperiment, självklart, men det gav ett analogt resultat.

"När vi pratar om information, vi syftar inte på något immateriellt. Information kräver ett fysiskt substrat, ett minne. Om du vill radera 1 bit minne från en flashenhet, du måste spendera 10, 000 gånger en minimal mängd energi som består av Boltzmann-konstanten gånger den absoluta temperaturen. Detta minimum av energi som krävs för att radera information är känd som Landauers princip. Detta förklarar varför radering av information genererar värme. Notebook-batterier förbrukas av värme mer än något annat, sa Serra.

Vad forskarna observerade var att informationen som finns i kvantkorrelationerna kan användas för att utföra arbete, i detta fall överföring av värme från ett kallare till ett varmare föremål, utan att förbruka extern energi.

"Vi kan kvantifiera korrelationen mellan två system med hjälp av bitar. Kopplingar mellan kvantmekanik och informationsteori skapar vad som kallas kvantinformationsvetenskap. Ur praktisk synvinkel, effekten vi studerade skulle en dag kunna användas för att kyla en del av en kvantdators processor, sa Serra.