בעולמות הבדיוניים של הסטימפאנק, הסגנון הוויקטוריאני משתלב עם טכנולוגיה מודרנית. ממש באותו אופן, ענף חדש בפיזיקה מעדכן את התרמודינמיקה של המאה ה-19 ומתאים אותה למערכות הקוונטיות של ימינו

בקיצור

  • תחום התרמודינמיקה, העוסק בפיזיקה של חום ויעילות, נולד במהלך המהפכה התעשייתית. מדענים פועלים כיום לעדכן את החוקים הללו ולהתאים אותם לטכנולוגיה מודרנית, ובמיוחד למחשבים קוונטיים, תקשורת קוונטית ומידע קוונטי.
  • השילוב הזה שנעשה בין המדע של המאה ה-19 לטכנולוגיה עתידנית דומה לחיבור בין סגנון ויקטוריאני להמצאות הקיימות בסוגה הבדיונית הקרויה סטימפאנק, דבר שהעניק לתחום הזה את הכינוי "סטימפאנק קוונטי".
  • בין ההצלחות האחרונות של הסטימפאנק הקוונטי נמצא מנוע תיאורטי שהציעו מדענים על סמך עקרונות קוונטיים ותרמודינמיים.

לונדון, רוזלינד שמחה, בהתחשב בשעה המאוחרת, שהיא סחבה מאחיה את גלימתו השחורה ולא לבשה את גלימת הארגמן שלה. בית החרושת שלצידה חדל להקיא עשן הלילה, אבל בקרוב הוא יתחיל מחדש. לשמע רעש פתאומי היא נרתעה אחורה ונצמדה אל קיר הלבנים. נשימתה נעתקה כשנשאה את עיניה למעלה. גוף כביר, מוארך, נסחף בשמיים. החשכה טשטשה את הפרטים, אבל לא הייתה צריכה לראות בעיניה כדי לדעת; מנעול בצבע פליז מצויר בוודאי על הדופן החיצונית. מלאטור השיק את ספינת האוויר שלו.

ברוכים הבאים לסטימפאנק. הסוגה הזו, ששמה נגזר מהמילה האנגלית לקיטור (steam), קנתה לה אחיזה בעשורים האחרונים בתחומי הספרות, האמנות והקולנוע. הסיפורים שלה נוטים להתרחש לצד בתי חרושת שנבנו לא מכבר ובערים קודרות, באנגליה של העידן התעשייתי ובמערב הפרוע – זירות מהעולם האמיתי שטכנולוגיות חדשות שגשגו בהן. אולם הדמויות ביצירות הסטימפאנק מרחיבות את ההמצאות האלו לכדי טכנולוגיות עתידניות, כגון אוטומטונים ומכונות זמן. השעטנז הזה של חדש לצד ישן יוצר אווירה רומנטית ומסעירה. אין פלא שחובבי סטימפאנק קונים מגבעות ותחתוניות מלמלה, מתקשטים בעיטורי פליז וזכוכית, ונוהרים בהמוניהם לכנסי סטימפאנק.

החובבים האלו חולמים הרפתקאות. אולם פיזיקאים בני ימינו שפועלים בנקודת המפגש של שלושה שדות – פיזיקה קוונטית, תורת המידע ותרמודינמיקה – חווים אותה באמת. ממש כפי שהסטימפאנק מוהל טכנולוגיות בדיוניות בסגנון ויקטוריאני, כך תחום מודרני של הפיזיקה שאני מכנה "סטימפאנק קוונטי" מאחד את הטכנולוגיה של המאה ה-21 עם עקרונות מדעיים מהמאה ה-19.

מטרתנו היא לעדכן את חוקי התרמודינמיקה – התחום שחוקר עבודה, חום ונצילות – כדי שתעמוד בדרישות שמציבים הניסויים, הטכנולוגיות והתיאוריות הנמצאים כיום בחוד החנית של המדע. התרמודינמיקה נולדה כשמנועי קיטור הניעו את גלגליה של המהפכה התעשייתית. אולם ככל שהטכנולוגיה מתמזערת יותר ויותר, כך התרמודינמיקה והמידע מצטמדים במערכות יותר ויותר קטנות. אלומת הזרקור עברה מרכבות אל מנועי-ננו, מנועים מולקולריים של תאים חיים והמקררים הזעירים ביותר האפשריים. כעת עלינו לחקור איך לקחת עקרונות תרמודינמיים מסורתיים כמו חום, עבודה  ושיווי משקל, וליישם אותם על מערכות קוונטיות.

ערכה מדית סייברפאנקיתצילום: cinzia murgia, שאטרסטוק

פיזיקה ויקטוריאנית פוגשת את המדע של שנות האלפיים

עוד לפני ראשית המאה ה-19 המציאו תומס סייוורי (Savery) ותומס ניוקאמן (Newcomen) את מנוע הקיטור, וג'יימס ואט (Watt) ומתיו בולטון (Boulton) שכללו אותו. הוגי התקופה תהו באיזו יעילות יוכלו מנועים כאלה לשאוב מים ממכרות. מחקריהם נבעו משאלות מעשיות והובילו לשאלות בפיזיקה יסודית, למשל מדוע הזמן נע רק בכיוון אחד. כאן טמונים שורשי התרמודינמיקה.

הענף הזה בפיזיקה מתאר מערכות מרובות חלקיקים, למשל קיטור, באמצעות מושגים של תכונות בקנה מידה גדול, כמו טמפרטורה, לחץ, נפח ואנרגיה. האנרגיה העוברת בתהליכים תרמודינמיים מתחלקת לשני סוגים: עבודה וחום. עבודה היא אנרגיה מאורגנת היטב שאפשר להשתמש בה למטרה מוגדרת, למשל לסובב גלגל של טחנה. חום הוא האנרגיה של תנועה אקראית – של חלקיקים מפזזים.

התרמודינמיקה מכמתת את האקראיות הזאת באמצעות מספר הקרוי "אנטרופיה". לכל חלקיק בדוּד של מנוע קיטור  יש מיקום ותנע (מסת החלקיק כפול מהירותו). לקבוצת כל המיקומים והתנעים של החלקיקים אנחנו קוראים ה"מיקרו-מצב" של הקיטור. אנחנו לא יכולים לדעת מהו המיקרו-מצב, שכן הדוּד  מכיל בערך 1024 (1 ואחריו 24 אפסים) חלקיקים. תארו לעצמכם מה יידרש כדי למקם כל אחד ואחד מהם! במקום זאת אנחנו מנסים למצוא את ההסתברות לכך שהקיטור מאכלס מיקרו-מצב זה או אחר. האנטרופיה מכמתת את האי-ודאות שלנו. על פי החוק השני של התרמודינמיקה, האנטרופיה של מערכת סגורה ומבודדת אינה יכולה לרדת. העובדה הזאת היא הבסיס  לכך שהזמן במציאות זורם בכיוון יחיד.

אולם מנועי הקיטור, שמילאו תפקיד מרכזי בתרמודינמיקה הקלאסית, דומים לטכנולוגיות המודרניות בערך כמו הדמיון בין מגבעות צילינדר לקסדות מציאות מדומה. חלק ניכר מההמצאות והניסויים המודרניים כוללים מערכות קוונטיות קטנות ומורכבות. התיאוריה הקוונטית היא הפיזיקה של אטומים, אלקטרונים ומרכיבים אחרים של החומר. הם יכולים להתנהג בדרכים שלא ייתכנו במערכות קלאסיות וגדולות יותר, כמו דוּדי קיטור, מפעלים ובני אדם.

לדוגמה, חלקיקים קוונטיים יכולים להשתתף בשזירה, שהיא סוג של יחס גומלין חזק במיוחד. אם תשזרו שני אטומים ותמדדו אחד מהם, האטום האחר ישתנה מיד, גם אם הוא נמצא בצד השני של היבשת. פיזיקאים יכולים להשתמש בשזירה כדי לעבד מידע בדרכים שאינן אפשריות במערכות קלאסיות. תחום המחקר שבו מנסים להבין איך לפתור בעיות חישוביות, לתקשר, לאבטח מידע ולשפר מדידות בעזרת מערכות קוונטיות, קרוי תורת המידע הקוונטית. התיאוריה הזאת מספקת לנו ארגז כלים מתמטי שימושי, שבעזרתו אפשר ליישם את העדכון שאנחנו רוצים לעשות לתחום התרמודינמיקה. איך שני שדות המחקר הללו משתלבים? כדי לנתח מידע, עלינו להתעמת עם הבַּעֲרוּת. תיאורטיקני מידע מכמתים בערות באמצעות אנטרופיה, ממש כמו עמיתיהם התרמודינמיקאים.

מחשבים קוונטיים, למשל, הם מערכות שבהן גם תורת המידע הקוונטי וגם התרמודינמיקה ממלאות תפקידי מפתח. גוגל, IBM ומוסדות אחרים שוקדים על בניית מכונות כאלה, שמטרתן היא לפצח שיטות הצפנה מסוימות ולבנות מודלים של חומרים מסוימים הרבה יותר מהר מכל מחשב קלאסי. את רוב מערכות המחשוב הקוונטי צריך לקרר לטמפרטורות קרובות לאפס המוחלט. קירור שקול לפיזור חום, שגם הוא גודל תרמודינמי. אולם מחשבים קוונטיים אינם דומים כלל למנועים שבשבילם פותחה התרמודינמיקה.

הניסיונות הראשונים להחיל עקרונות תרמודינמיים על מערכים קוונטיים נולדו באמצע המאה ה-20, כשג'וזף גיוּזיק (Geusic), א"א שולץ-דובואה (Schults-DuBois) וה"א דריק סקוביל (Derrick Scovil) הגו את המנוע הקוונטי הראשון. המנוע היה עשוי ממייזר, שפועל כמו לייזר אבל פולט אור בתחום המיקרוגלים. בהמשך סייעו רוני קוזלוב מהאוניברסיטה העברית בירושלים ועמיתיו להפוך את המנועים הקוונטיים לתת-תחום העומד בפני עצמו.

גנפיים סייברפאנקיותצילום: אנדרה בורמקין, שאטרסטוק

עם פורצי הדרך בתחום נמנה גם מרלאן סקאלי (Scully), המכונה לעיתים "הקאובוי הקוונטי," שעובד בתחום האופטיקה הקוונטית באוניברסיטת פרינסטון ובאוניברסיטת טקסס A&M, וגם מגדל בקר. בינתיים חקרו התיאורטיקנים ז'אן פאולו ברטה (Beretta), אליאס גיפטופולוס (Gyftopoulos) ז"ל וג'ורג' הטסופולוס (Hatsopoulos) את חץ הזמן מנקודת מבט קוונטית. ובשנת 1988 פורסמה עבודת הדוקטורט המכוננת של סת' לויד (Lloyd) באוניברסיטת רוקפלר, "חורים שחורים, שדים ואובדן הקוהרנטיות: כיצד מערכות מורכבות משיגות מידע, ומה הן עושות בו", שיצקה את היסודות לרעיונות חשובים רבים בתחום התרמודינמיקה הקוונטית.

כלֵי הסטימפאנק הקוונטי

כפי שראינו, האנטרופיה ממלאת תפקיד חשוב בתרמודינמיקה, בתורת המידע ובתורת הקוונטים. לעיתים קרובות רואים בה ישות אחת ויחידה, אולם למעשה קיימים זנים שונים של אנטרופיה, הבאים לידי ביטוי בפונקציות מתמטיות שונות המתארות מצבים שונים. את הזנים הידועים ביותר שילבו בעולם התרמודינמיקה לודוויג בולצמן (Boltzmann) וג'וזיה וילארד גיבס (Willard Gibbs) במהלך המאה ה-19. בתורת המידע שילב אותם קלוד שנון (Shannon), שעבד ב-1948 במעבדות חברת הטלפון בל, ובתורת המידע הקוונטית היה זה הפיזיקאי התיאורטיקן ג'ון פון-נוימן (von-Neumann) בשנת 1932. האנטרופיות הללו מכמתות לא רק אי-ודאות, אלא גם את היעילות (או ה"נצילות") שבה אנחנו יכולים לבצע משימות של עיבוד מידע, כגון דחיסת נתונים, ומשימות תרמודינמיות כמו הנעת מכונית.

אחת המטרות המרכזיות של תיאורטיקני סטימפאנק קוונטי היא לזהות פונקציות אנטרופיה חדשות עבור מערכות קוונטיות מודרניות בקנה מידה קטן. נניח שאנחנו מנסים להשתמש בשזירה כדי לשתף מידע בערוץ כלשהו. אנחנו עשויים לשאול אם קיים גבול תיאורטי ליעילות שבה אנחנו יכולים לבצע את המשימה. התשובה תהיה תלויה כנראה באנטרופיה.

מטרה נוספת של סטימפאנק קוונטי היא לבנות משהו שהפיזיקאים מכנים "תיאוריות משאבים" (Resource theories). תיאוריות כאלה מדגישות את האילוצים שאנחנו כפופים להם. לדוגמה, החוק הראשון של התרמודינמיקה מאלץ אותנו לשמר אנרגיה: איננו יכולים ליצור אנרגיה או להשמידה; אנחנו יכולים רק להוציא אותה מצורה אחת וממערכת אחת ולהעביר אותה לצורה ולמערכת אחרת. פיזיקאים עשויים לגלות מצב שיש בו אילוץ, למשל סביבה עם טמפרטורה קבועה, ואז הם מנסים לבנות מודל מתמטי של המצב הזה באמצעות תיאוריית משאבים. תיאוריית המשאבים מאפשרת לנו לחשב את היעילות המיטבית שבה אפשר לבצע משימה. בדרך כלל היעילות תהיה שקולה לפונקציה של אנטרופיה.

במסענו אחר עדכון של התרמודינמיקה, אנחנו מתמקדים גם בתחום נוסף, שלישי: גזירת משוואות הקרויות "יחסי תנודה" (Fluctuation relations). המשוואות הללו הן הרחבות של החוק השני של התרמודינמיקה, הקובע כי האנטרופיה במערכת סגורה ומבודדת אינה יכולה לרדת. יחסי תנודה שולטים במערכות קטנות הנתונות תחת כוחות חזקים, ומספרים לנו על העבודה שהכוחות הללו מבצעים.

בשנת 1996 הוכיח כריסטופר ז'רזינסקי (Jarzynski), שעובד כיום באוניברסיטת מרילנד, את אחד מיחסי התנודה הידועים ביותר. תרמודינמיקאים קוראים ליחס הזה "שוויון ז'רזינסקי", אף שבצניעותו הרבה ז'רזינסקי לא קורא לו כך בעצמו. נסיינים משתמשים בשוויון הזה כדי למדוד תכונה תרמודינמית מסוימת של מערכות קטנות. לדוגמה, חישבו על גדיל DNA הצף במים שהטמפרטורה שלהם שווה לטמפרטורת הסביבה. לגדיל יש כמות מסוימת של אנרגיה חופשית: אנרגיה חופשית היא ביסודו של דבר האנרגיה הזמינה למערכת לביצוע עבודה.

כדור פורח סייברפאנקיצילום: cinzia murgia, שאטרסטוק

בעזרת לייזרים, מדענים יכולים ללכוד קצה אחד של הגדיל ולמשוך את הקצה השני. אחרי שיחזיקו את הגדיל מתוח למשך זמן מה, ה-DNA יחזור לטמפרטורת התמיסה, ובשלב הזה תהיה לגדיל ה-DNA כמות אחרת של אנרגיה. להפרש באנרגיות החופשיות יש יישומים בתחומי הכימיה, הפרמקולוגיה והביולוגיה. נוכל לאמוד את ההפרש באנרגיה החופשית אם נמתח את הגדיל שוב ושוב, נמדוד את העבודה שנדרשה עבור כל ניסוי, נזין את הנתונים שלנו לתוך שוויון ז'רזינסקי ונפתור את המשוואה.

ז'רזינסקי ואני שאלנו את עצמנו כמה ניסויים עלינו לעשות כדי לאמוד את ההפרש באנרגיה החופשית במידת דיוק מסוימת? חישבנו את מספר הניסויים המזערי שנצטרך כנראה לקיים והצענו מתווה לכימות הדיוק, שהסתייענו בשבילו בתורת המידע לקני מידה קטנים. במחקר אחר מהתקופה האחרונה הראינו עמיתיי ואני שגם יחסי תנודה וגם פונקציות אנטרופיה חדשות ונוצצות הן גישות עקביות לתרמודינמיקה בקני מידה קטנים, והשתמשנו בכל אחת מהן כדי לשפוך אור על חברתה. תרמודינמיקאים קוונטיים בלונדון, בקלן ובמקומות אחרים הרחיבו את המחקר שלנו וחידדו אותו.

מנוע קוונטי חדש

כפי שהתרמודינמיקה המסורתית סייעה לתאר את הפיזיקה של מנועי קיטור, כך צעדינו בתחום התרמודינמיקה הקוונטית יכולים לעזור לנו להמציא מנועים קוונטיים. נכון להיום, פיזיקאים נסיינים יצרו מנועים קוונטיים של פוטונים (חלקיקי אור), מערכות אלקטרוניות וקיוביטים מוליכי-על (מעגלים קוונטיים שזרם יכול לזרום בהם לנצח בלי לדעוך).

לאחרונה תכננתי מנוע קוונטי חדש עם כריסטופר ד' וייט (White), שנמצא כיום באוניברסיטת מרילנד, סרנג גופלאקרישנן (Gopalakrishnan) מאוניברסיטת ניו יורק, וגיל רפאל (בוגר אוניברסיטת תל אביב) מהמכון הטכנולוגי של קליפורניה. בהיותנו תיאורטיקנים, פתחנו בתכנון המנוע כניסוי מחשבתי שהתקיים רק בעיני רוחנו. אבל גם ניסינו לחשוב איך יוכלו מדענים לבנות גרסה ממשית של המנוע בעזרת הכלים הקוונטיים המצויים במעבדות של ימינו. לדוגמה, הגענו למסקנה שאם מקררים אטומים, ואז לוכדים אותם ומתמרנים אותם באמצעות לייזרים, אפשר להפיח חיים בתוכנית שלנו.

מנוע מכונית
מנוע מכונית מכניס פנימה אוויר קר ופולט אוויר חם במחזור של ארבעה שלבים  שדוחף את המכונית קדימה. בפעימת היניקה, המנוע שואב פנימה אוויר קר, ודלק מוזרק לתוכו. בדחיסה, בוכנה נעה כלפי מעלה בתוך צילינדר כדי לדחוס את התערובת. בפעימת העבודה שאחריה, המצת מבעיר את האוויר ואת הדלק. הבעירה דוחפת את הבוכנה כלפי מטה ומסובבת את גלגלי המכונית. לבסוף, בפליטה, גזי הבעירה החמים נפלטים החוצה.

תרשים פעולה מנוע תרמודינמי רגילאיורים: ג'ורג' רטסק

המנוע שלנו כולל מופע של חומר ("פאזה" של חומר) הקרוי "לוקליזציית גופים מרובים" (many-body localization, או MBL) – גרסה ייחודית של מצבי הצבירה המוכרים יותר: מוצק, נוזל וגז. חלקיקים קוונטיים יכולים להיות במופע הזה אם הם דוחים זה את זה ויכולים לקפץ לאיטם ברחבי נוף אקראי, תלול ומשונן. אחד המאפיינים החשובים של מערכת MBL הוא "אי-תֶרְמִיוּת": המערכת אינה נמצאת בשיווי משקל תרמי. חלקיקים המצויים בשיווי משקל תרמי משוטטים במרחב הזמין עבורם מהר ובאקראי. אם תאפשרו לקיטור לשוטט זמן רב, אזי תכונות בקנה מידה גדול שיש לו, כמו הטמפרטורה והנפח שלו, יתקבעו ולא יעברו עוד שינויים משמעותיים.

אבל בניגוד לחלקיקי קיטור, חלקיקי MBL נשארים באזור אחד ולא מקפצים אנה ואנה. היעדרו של שיווי משקל תרמי הוא משאב חשוב למשימות תרמודינמיות. מנועי מכונית, למשל, מתבססים על קיומו של זורם חם לצד זורם קר. צמד הזורמים לא נמצא בשיווי משקל תרמודינמי, מכיוון שהחלקיקים החמים תחומים באזור אחד והחלקיקים הקרים באזור אחר – שום חלקיק אינו משוטט במרחב כולו. ממש כפי שמנוע מכונית מנצל את האי-תרמיות של הזורם, כך עמיתי ואני ניצלנו את האי-תרמיות של חלקיקי ה-MBL. אנחנו קוראים למתקן שלנו "MBL-מוֹבִּיל".

מנוע של מכונית עובר ארבעה שלבים שיוצרים יחד מחזור, או לולאה סגורה. בסוף הלולאה, המנוע חוזר למצבו ההתחלתי, לאחר שהזיז את המכונית מרחק מסוים על ידי העברת חום מהזורם החם לזורם הקר. גם ה-MBL-מוביל עובר מחזור של ארבעה שלבים. במחזור של המנוע שלנו אנחנו מעבירים את האטומים ממופע תרמי, שבו החלקיקים יכולים להתפשט בכל המרחב, למופע MBL וחוזר חלילה.

כדי להתחיל את שינוי המצב של המנוע, אנחנו משנים את הנוף שבו שוכנים החלקיקים – מנוף מישורי למדי לנוף משונן – על ידי התאמת מערך המשתנים של הלייזרים. לפני כל שינוי המנוע מחליף חום עם סביבה חיצונית. הוא בא במגע עם סביבה חמה כאשר הוא במופע התרמי שלו, ועם סביבה קרה כאשר הוא במופע ה-MBL. בקיצור, ארבעת השלבים הם: (1) חילופי חום עם סביבה חמה בשלב התרמי, (2) שינוי מהמופע התרמי למופע MBL, (3) חילופי חום עם אמבט קר, ו-(4) שינוי ממופע MBL למופע תרמי.

כדי להעריך את היעילות האפשרית של ה-MBL-מוביל חישבנו את ההספק והנצילות שלו והשווינו אותם להספק ולנצילות של מנועים אחרים. לדוגמה, לחיידקים מסוימים יש שוטונים – זנבות דמויי שוט המסתובבים באמצעות מנועים. מהי איכות הביצועים של המנועים הקטנים האלו בהשוואה למנוע שלנו? על פי הערכתנו, המנוע שלנו יכול להפיק הספק גדול פי עשרה בערך מההספק של השוטון. מאידך גיסא, מהי איכות הביצועים של המנוע הקוונטי שלנו בהשוואה למנוע מכונית? אמדנו את  צפיפות ההספק של שני המנועים, כלומר את תפוקת ההספק ליחידת נפח: מנוע מכונית מנצל את הנפח ביעילות רבה יותר, אם כי רק פי עשרה.

מופע ה-MBL מעניק למנוע שלנו ארבעה יתרונות. ראשית, המנוע יכול להיות בכל גודל, החל בעשרה חלקיקים וכלה במספר בלתי מוגבל. כדי לבנות מנוע גדול, מתחילים במנועון זעיר של עשרה חלקיקים. בונים עותקים רבים של המנועון ואז מפעילים אותם זה לצד זה. אילו המנועונים היו מתנהגים באופן תרמי, הם היו מפריעים זה לזה, מאחר שהחלקיקים של מנועון אחד היו תועים לתוך מנועון אחר ומתאבכים עימו. מופע ה-MBL מבטיח שמה שקורה במנועון אחד יישאר בו. כך אפשר לדחוס מנועונים רבים זה לצד זה, ולהעניק למנוע כולו צפיפות הספק גבוהה: היתרון השני של ה-MBL-מוביל.

לוקליזציית-גופים-מרובים-מוביל
ה-MBL-מוביל עובר תהליך של ארבעה שלבים שמתחיל עם אטומים במצב של החומר המכונה "לוקליזציית גופים מרובים". האטומים מקוררים כשהם בסביבה המתאפיינת בגבעות אנרגיה רמות ובעמקים נמוכים, שמונעת מהאטומים לשוטט הרבה. בשלב הבא משנים את מערך המשתנים של הלייזרים כדי ליישר את הגבעות והעמקים בנוף הסובב את האטומים. המנוע נכנס למופע תרמי שבו האטומים שלו יכולים לשוטט אנה ואנה, והמנוע בולע חום. לבסוף מחזירים את המופע לקדמותו.

תרשים פעולה מנוע קוונטי

היתרון השלישי מתגלה כשמפעילים את המנוע שוב ושוב. בחלק מההפעלות, המנוע יעשה עבודה. אולם יהיו גם כאלה שבהן המנוע יספוג עבודה, כלומר יפעל בניגוד לייעודו. ההפעלות הבעייתיות הללו יהיו מעטות יותר אם השינוי יעביר את המנוע בין מופע MBL לבין מופע תרמי, מאשר בתרחיש שבו המנוע עובר מנקודה לנקודה בתוך מופע ה-MBL. יתרה מזאת, השונות בכמות העבודה בין הפעלות מוצלחות תהיה קטנה יותר אם מנצלים את מופע ה-MBL; כלומר ה-MBL משפר את אמינות המנוע.

ההצלחה של ה-MBL-מוביל, לפחות בניסויים המחשבתיים שערכנו, מעלה את האפשרות שעשויים להיות ל-MBL יישומים נוספים גם במשימות תרמודינמיות אחרות שמחכות לפתרון. לדוגמה, תארו לעצמכם שהפכתם את כיוון המחזור שלנו. המנוע יקרר, כלומר יעביר חום מהסביבה הקרה לסביבה החמה. מערכות קוונטיות זקוקות לקירור כדי שתכונות כמו שזירה יוכלו לבוא בהן לידי ביטוי. מקרר MBL יאפשר לצנן מערכות קוונטיות מרובות חלקיקים.

לחלופין, מדענים כתבו גם הצעה לשימוש ב-MBL לאחסון אנרגיה. ולאחרונה, בשיתוף עם עמיתיי, התחלתי לנסות ליצור גרסה ממשית של המנוע בעזרת מערך כלים אחר: סיביות קוונטיות על-מוליכות המוצבות בתוך שדה מגנטי. עוד ועוד הזדמנויות חדשות צצות כשמחילים את צורת החשיבה של הסטימפאנק הקוונטי על מדע החומרים.

מבעד למונוקל קוונטי

סטימפאנקרית משקיפה על העתיד מבעד למונוקל (חד-משקף). מה היא רואה? ארגז כלים מתמטי ופיזיקלי מתגבש בנקודת המפגש של תורת הקוונטים, תורת המידע והתרמודינמיקה. אנחנו מנסים גם להחיל את ארגז הכלים הזה על שדות מדעיים אחרים: מדע החומרים, כמו ה-MBL-מוביל; כימיה; פיזיקה של אנרגיות גבוהות, כמו חורים שחורים ומארג המרחב-זמן; ופיזיקה אטומית, מולקולרית ואופטית.

דג סייברפאנקיאיור: אנדרה בורמקין, שאטרסטוק

טכנולוגיות זקוקות נואשות ליישומים. רוב הסטימפאנק הקוונטי הוא תיאורטי, אם כי כבר החלו להתבצע ניסויים בעולם הממשי והם הולכים ומתרבים. אבל ממש כפי שהתפתחות התרמודינמיקה הרגילה שימנה את גלגלי המהפכה התעשייתית, כך גם המצאות חדשות יצמחו מתוך התרמודינמיקה הקוונטית, התרמודינמיקה הפועלת בקנה מידה קטן מאוד וזאת של המידע. מנועי MBL לא יניעו עבורנו מכוניות בעשר השנים הקרובות. אבל מתגים מולקולריים, התקנים לאגירת דלק סולרי וטרנזיסטורים מפזרי חום הם טכנולוגיות זעירות הקשורות לתרמודינמיקה. עליהן להיות נר לרגלי התיאוריה.

אתגר נוסף העומד לפתחנו הוא איחוד המאמצים השונים בתוך הסטימפאנק הקוונטי – אנטרופיות חדשניות ומרהיבות, תיאוריות משאבים, יחסי תנודה, מכונות תרמו-קוונטיות ועוד. אלו הם רק אחדים מהתחומים הרבים והמגוונים שנחקרים ברחבי העולם, ומשלל הכלים החדשים המצויים בפיתוח. אם נצליח ליישב בין ההגדרות והתוצאות השונות של כל אחת מהממלכות הללו, נגבש מהן תיאוריה של תרמודינמיקה קוונטית.

התרמודינמיקה מדיפה ניחוח של שמן מנועים וחצץ, של נסיעות רכבת ראשונות במלוא הקיטור אל פינות שכוחות אל וכיבוש נחשולי הים בספינות הקיטור הראשונות שחצו את האוקיינוס, ושל מבטים משתאים על הנוף הנפרש לעינינו מתוך כדורים פורחים. מדע המידע הקוונטי מחולל מהפכה באופן שבו אנחנו מבינים חישוב, תקשורת, הצפנה ומדידה. אתם קוראים על המיזוג הזה בין חדש וישן באתר מכון דוידסון, אבל באותה מידה יכולתם לקרוא כעת על המסך יצירה של ה"ג ולס או ז'ול ורן.

תרגם: דוד מדר

פורסם במקור בגיליון מאי 2020 של כתב העת "סיינטיפיק אמריקן"

לקריאה נוספת

  • Quantum Steampunk: Quantum Information, Thermodynamics, Their Intersection, and Applications Thereof across Physics. Nicole Yunger Halpern. Ph.D. dissertation, California Institute of Technology, 2018.
  • Quantum Engine Based on Many-Body Localization. Nicole Yunger Halpern et al. in Physical Review B, Vol. 99, No. 2, Article No. 024203;

מארכיון סיינטיפיק אמריקן

  • Perpetual Motion Machines. Stanley W. Angrist; ScientificAmerican.com, January 1, 1968.
  • The Long Arm of the Second Law. J. Miguel Rubí; ScientificAmerican.com, November 1, 2008.