Nhiệt truyền từ vật nóng sang vật lạnh. Khi một vật nóng và một vật lạnh tiếp xúc nhiệt, chúng trao đổi năng lượng nhiệt cho đến khi đạt tới cân bằng nhiệt, với vật nóng nguội đi và vật lạnh ấm lên. Đây là một hiện tượng tự nhiên mà chúng ta thường trải nghiệm. Nó được giải thích bởi định luật thứ hai của nhiệt động lực học, định luật nói rằng tổng entropy của một hệ cô lập luôn có xu hướng tăng theo thời gian cho đến khi nó đạt tới cực đại. Entropy là một số đo định lượng về mức mất trật tự trong một hệ. Các hệ cô lập tự phát diễn tiến sang các trạng thái tăng dần mức lộn xộn và khó phân biệt.
Một thí nghiệm được tiến hành bởi các nhà nghiên cứu tại Trung tâm Nghiên cứu Vật lí Brazil (CBPF) và Đại học Liên bang ABC (UFABC), cùng với các cộng sự tại các trường viện khác ở Brazil và nhiều nơi khác, vừa chứng minh rằng các tương liên lượng tử ảnh hưởng đến cách entropy được phân bổ giữa các bộ phận khi tiếp xúc nhiệt, làm đảo ngược chiều của cái gọi là “mũi tên nhiệt động lực học của thời gian”.
Nói cách khác, nhiệt có thể truyền tự phát từ một vật lạnh sang một vật nóng mà không cần đầu tư năng lượng trong tiến trình ấy, như thường đòi hỏi bởi các tủ lạnh trong nhà. Một bài báo mô tả thí nghiệm trên cùng với các xem xét lí thuyết vừa mới được công bố trên tạp chí Nature Communications.
Tác giả đầu của bài báo, Kaonan Micadei, đã làm xong luận án tiến sĩ dưới sự cố vấn của giáo sư Roberto Serra và hiện đang làm nghiên cứu hậu tiến sĩ ở Đức. Serra, cũng là một trong các tác giả của bài báo, được sự hỗ trợ của FAPESP thông qua Viện Khoa học và Công nghệ Quốc gia Brazil về Thông tin Lượng tử. FAPESP còn trao hai khoản tài trợ nghiên cứu liên quan đến dự án cho một đồng tác giả khác, Gabriel Teixeira Landi, một giáo sư tại Viện Vật lí thuộc Đại học São Paulo.
“Có thể nói các tương liên tiêu biểu cho thông tin chia sẻ giữa các hệ khác nhau. Trong thế giới vĩ mô được mô tả bởi vật lí cổ điển, việc cấp thêm năng lượng từ bên ngoài có thể làm đảo chiều dòng nhiệt trong một hệ để nó truyền từ lạnh sang nóng. Đây là cái xảy ra, chẳng hạn, trong một tủ lạnh thông thường,” Serra nói.
“Có thể nói rằng trong thí nghiệm vi mô của chúng tôi, các tương liên lượng tử đã tạo ra một hiệu ứng tương tự với việc cấp thêm năng lượng. Chiều của dòng nhiệt bị đảo ngược lại mà không vi phạm định luật thứ hai của nhiệt động lực học. Trái lại, nếu chúng ta xét các yếu tố của lí thuyết thông tin trong mô tả sự truyền nhiệt, thì chúng ta tìm thấy một hình thức khái quát hóa của định luật thứ hai và chứng minh được vai trò của các tương liên lượng tử trong quá trình ấy.”
Thí nghiệm được thực hiện với một mẫu phân tử chloroform (một nguyên tử hydrogen, một nguyên tử carbon và ba nguyên tử chlorine) được đánh dấu bằng đồng vị carbon-13. Mẫu được hòa tan thành dung dịch và được nghiên cứu bằng một quang phổ kế cộng hưởng từ hạt nhân, tương tự như các máy quét MRI dùng trong bệnh viện nhưng với từ trường mạnh hơn nhiều lần.
“Chúng tôi đã nghiên cứu các biến thiên nhiệt độ trong spin hạt nhân của các nguyên tử hydrogen và carbon. Các nguyên tử chlorine không có vai trò gì trong thí nghiệm. Chúng tôi dùng các xung tần số vô tuyến để đưa spin của mỗi hạt nhân vào một nhiệt độ khác nhau, một nguội hơn, một ấm hơn. Các chênh lệch nhiệt độ là nhỏ, vào cỡ hàng chục phần tỉ của 1 Kelvin thôi, nhưng nay chúng tôi đã có các kĩ thuật cho phép chúng tôi thao tác và đo các hệ lượng tử với độ chính xác cực kì. Trong trường hợp này, chúng tôi đo các thăng giáng tần số vô tuyến do các hạt nhân nguyên tử tạo ra,” Serra nói.
Các nhà nghiên cứu đã khảo sát hai tình huống: trong một tình huống, lúc bắt đầu quá trình các hạt nhân hydrogen và carbon không tương liên; và trong tình huống kia, chúng tương liên lượng tử ngay từ đầu.
“Trong trường hợp thứ nhất, với các hạt nhân tương liên, chúng tôi quan sát thấy nhiệt truyền theo chiều thông lệ, từ nóng sang lạnh, cho đến khi hai hạt nhân ở nhiệt độ bằng nhau. Trong trường hợp thứ hai, với các hạt nhân tương liên từ đầu, chúng tôi quan sát thấy nhiệt truyền theo chiều ngược lại, từ lạnh sang nóng. Hiệu ứng kéo dài trong vài phần nghìn của một giây, cho đến khi tương liên ban đầu không còn nữa,” Serra giải thích.
Khía cạnh đáng chú ý nhất của kết quả này là nó đề xuất một quá trình làm lạnh lượng tử trong đó việc cấp năng lượng từ bên ngoài (như thường xảy ra với tủ lạnh và máy điều hòa không khí để làm lạnh một môi trường nhất định) có thể được thay thế bằng các tương liên, tức là sự trao đổi thông tin giữa các vật thể.
Sơ đồ thí nghiệm của nhóm Serra
Con quỷ của Maxwell
Ý tưởng cho rằng có thể dùng thông tin để đảo ngược dòng nhiệt – nói cách khác, để mang đến một sự giảm cục bộ về entropy – đã nảy sinh trong vật lí cổ điển vào giữa thế kỉ mười chín, từ lâu trước khi lí thuyết thông tin được phát minh.
Đó là một thí nghiệm giả tưởng được đề xuất vào năm 1867 bởi James Clerk Maxwell (1831-1879), người đã thiết lập các phương trình điện từ học cổ điển nổi tiếng. Trong thí nghiệm giả tưởng của ông, nó đã gây ra một tranh cãi nảy lửa vào thời ấy, nhà vật lí vĩ đại người Scotland nói rằng giả sử có một sinh vật có khả năng biết được tốc độ của từng phân tử của một chất khí và thao túng được mọi phân tử ở cấp độ vi mô, thì sinh vật này có thể tách chúng thành hai phe, lùa các phân tử nhanh hơn trung bình sang một bên để tạo ra một buồng nóng và lùa các phân tử chậm hơn trung bình sang một bên để tạo ra một buồng lạnh. Bằng cách này, một chất khí ban đầu cân bằng nhiệt có hỗn hợp phân tử nhanh và chậm sẽ diễn tiến sang một trạng thái rạch ròi với entropy thấp hơn.
Maxwell vốn đưa ra thí nghiệm giả tưởng này để chứng minh rằng định luật thứ hai của nhiệt động lực học chỉ mang tính thống kê thôi.
“Sinh vật mà ông đề xuất, nó có khả năng can thiệp vào thế giới vật chất ở cấp độ phân tử hoặc nguyên tử, được gọi là “con quỷ của Maxwell”. Nó là một hư cấu do Maxwell phát minh ra để thể hiện quan điểm của ông. Tuy nhiên, ngày nay chúng ta thật sự có thể thao tác ở cấp độ nguyên tử hoặc nhỏ hơn nữa, cho nên những kì vọng bình thường đã khác đi,” Serra nói.
Thí nghiệm được tiến hành bởi Serra và các cộng sự, và được mô tả trong một bài báo mới công bố là một minh chứng cho điều này. Tất nhiên, nó không tái hiện lại thí nghiệm giả tưởng của Maxwell, nhưng nó đưa đến một kết quả tương tự như vậy.
“Khi chúng ta nói về thông tin, chúng ta không có ý nói tới thứ gì đó mơ hồ không rõ ràng. Thông tin đòi hỏi một chất liệu vật lí, một bộ nhớ. Nếu bạn muốn xóa 1 bit bộ nhớ ra khỏi một ổ đĩa di động, bạn phải tiêu hao 10.000 lần năng lượng tối thiểu gồm hằng số Boltzmann nhân với nhiệt độ tuyệt đối (kT). Năng lượng tối thiểu để xóa thông tin này được gọi là nguyên lí Landauer. Nguyên lí này giải thích vì sao việc xóa thông tin sinh ra nhiệt. Pin máy tính xách tay sinh nhiệt nhiều hơn bất cứ thứ gì khác,” Serra nói.
Cái các nhà nghiên cứu quan sát thấy là thông tin có mặt trong các tương liên lượng tử có thể dùng để thực hiện công, trong trường hợp này là truyền nhiệt từ một vật lạnh hơn sang một vật nóng hơn, mà không tiêu hao năng lượng từ bên ngoài.
“Chúng ta có thể định lượng sự tương liên của hai hệ bằng phương tiện bit. Các kết nối giữa cơ học lượng tử và lí thuyết thông tin đang tạo ra cái gọi là thông tin học lượng tử. Từ góc nhìn thực tiễn, hiệu ứng mà chúng tôi nghiên cứu sẽ có thể khai thác vào một ngày nào đó để làm nguội bộ phận vi xử lí của máy tính lượng tử,” Serra nói.
Tham khảo: Kaonan Micadei et al. Reversing the direction of heat flow using quantum correlations, Nature Communications (2019). DOI: 10.1038/s41467-019-10333-7
Nguồn: PhysOrg.com
