کوانتومی Steampunk: در قرن 19 علم مطابق با تکنولوژی امروز

لندن در یک ساعت ساخته شده است که روزالیند خوشحالم که او می خواهم nicked برادر او را در ردای سیاه و سفید به جای پوشیدن او سرخ یکی است. این کارخانه در کنار او را ترک کرده بود آروغ زدن دود برای شب, اما آن را شروع دوباره به زودی. سر و صدا ایجاد می شود او را به قرعه کشی در برابر دیوار آجری است. زود گذر تا او gasped. مستطیلی هالک بود دست خوش پیشامد میشه در سراسر آسمان است. تاریکی پنهان, جزئیات, اما او نمی نیاز به دیدن یک برنج رنگی قفل خواهد بود نقاشی در کنار. Mellator تا به حال خود را راه اندازی بالن.

به انجمن خوش آمدید steampunk. این نوع گسترش در سراسر ادبیات و هنر و فیلم و بیش از چند دهه گذشته. داستان آن تمایل به محل نزدیک نوپای کارخانه و کثیف شهرها در عصر صنعتی انگلستان و غرب وحشی—در زندگی واقعی تنظیمات که در آن فن آوری شدند و رو به رشد. در عین حال steampunk شخصیت های گسترش این اختراع به فن آوری های مربوط به اینده, از جمله ماشینها و زمان ماشین آلات. تلفیق و ایجاد فضای رمانتیسم و ماجراجویی است. کمی تعجب می کنم که steampunk طرفداران خرید کلاه بالا و پوش زنانه, زینت خود را در برنج و شیشه و گله به نبرد می پردازند.

این طرفداران رویای ماجراجویی. اما فیزیکدانان امروز که در تقاطع سه رشته—فیزیک کوانتومی, نظریه اطلاعات و ترمودینامیک—آن زندگی می کنند. فقط به عنوان steampunk مخلوط علمی تخیلی, فن آوری با سبک ویکتوریایی و مدرن با زمینه فیزیک است که من آنرا “quantum steampunk” متحد قرن 21 با تکنولوژی قرن 19 اصول علمی.

هدف ما این است که برای به روز رسانی قوانین ترمودینامیک—مطالعه کار و گرما و بهره وری—برای دیدار با خواسته های برش لبه آزمایش فن آوری و تئوری. ترمودینامیک متولد شد و هنگامی که بخار موتور سوار انقلاب صنعتی. اما به عنوان فن آوری کاهش ترمودینامیک و اطلاعات در کوچکتر و کوچکتر سیستم. ویژه جاروب شده از قطار به نانو موتورهای زندگی سلول های مولکولی موتور و کوچکترین امکان یخچال و فریزر. ما در حال حاضر باید بررسی نحوه درخواست سنتی ترمودینامیکی مفاهیمی مانند گرما کار و equilibration به مدرن کوانتومی سیستم های.

ویکتوریا فیزیک در دیدار هزاره علم

با 1800 Thomas Savery و Newcomen Thomas اختراع کرده بود و جیمز وات و متی Louise تا به حال تصفیه بخار موتور. متفکران و سپس تعجب که چگونه کارآمد موتورهای چنین می تواند پمپ کردن آب از معادن. مطالعات خود را رشد از نکات به سوال فیزیک بنیادی مانند همین جریان زمان تنها در یک جهت. زمینه ترمودینامیک پایه است در این کار.

این شاخه از فیزیک توصیف بسیاری از سیستم های ذره مانند بخار از نظر مقیاس خواص مانند دما و فشار و حجم و انرژی است. انرژی در حمل و نقل می افتد به دو کلاس کار و گرما. کار است که به خوبی سازمان انرژی قابل استفاده برای یک هدف تبدیل یک آسیاب چرخ. گرما انرژی است که از حرکت تصادفی از ذرات jiggling.

Thermodynamicists کمیت اتفاقی با یک شماره به نام آنتروپی. هر ذره در یک قوطی بخار دارای یک موقعیت و یک حرکت (ذرات جرم بار در سرعت آن). مجموعه ای از تمام ذرات موقعیت و تکانه ما تماس بخار را microstate. ما نمی دانیم microstate چون قوطی حاوی حدود 1024 (1 پس از 24 صفر) ذرات. تصور کنید در تلاش برای قرار دادن همه آنها را! ما به جای پیگیری این احتمال که بخار اشغال این یا آن microstate. آنتروپی quantifies ما عدم قطعیت است. با توجه به قانون دوم ترمودینامیک آنتروپی یک بسته جدا شده سیستم نمی تواند کوچک. این در واقع زمینه ساز این واقعیت است که زمان جریان در یک جهت.

اما موتورهای بخار مرکزی به سنتی ترمودینامیک شبیه امروز فن آوری های مورد تا آنجا که کلاه بالا شبیه مجازی هدست واقعیت. بسیاری از اختراعات مدرن و آزمایش شامل کوچک و پیچیده کوانتومی سیستم های. نظریه کوانتوم فیزیک است که از اتم الکترون ها و دیگر اجزای تشکیل دهنده ماده. آنها می توانند رفتار در راه غیر ممکن است برای بزرگتر, کلاسیک, سیستم های بخار مانند قوطی کارخانه ها و مردم است. مثلا کوانتومی ذرات می تواند به اشتراک گذاری گرفتاری یک نوع ultrastrong همبستگی. اگر شما اشفته دو اتم ها و اندازه گیری یکی دیگر اتم تغییرات بلافاصله حتی اگر آن است که در سراسر قاره است. فیزیکدانان می توانید با استفاده از گرفتاری به پردازش اطلاعات در راه های غیر ممکن با سیستم های کلاسیک. مطالعه ما چگونه می تواند به حل مشکلات محاسباتی ارتباط امن اطلاعات و افزایش اندازه گیری با سیستم های کوانتومی است که به نام نظریه کوانتومی اطلاعات. این نظریه مفید ریاضی جعبه ابزار برای اجرای به روز رسانی ما به ترمودینامیک. چگونه دو رشته اتصال ؟ به همین دلیل در مورد اطلاعات ما باید برای مقابله با جهل است. اطلاعات نظریه پردازان کمیت جهل با آنتروپی فقط به عنوان thermodynamicists انجام دهد.

کامپیوترهای کوانتومی به عنوان مثال سیستم های که در آن هر دو نظریه کوانتومی اطلاعات و ترمودینامیک کلیدی هستند. گوگل و آی بی ام و دیگر موسسات در حال سخت در محل کار ساختمان این ماشین که با هدف شکستن برخی از طرح های رمزگذاری و به مدل خاص مواد و به مراتب سریع تر از هر کامپیوتر کلاسیک. اکثر کوانتومی محاسبات نیاز به سیستم های خنک شود و به دمای نزدیک صفر مطلق. خنک کننده به مقدار dissipating گرما یک کمیت ترمودینامیکی. هنوز کامپیوترهای کوانتومی نگاه هیچ چیز مانند موتورهای که ترمودینامیک توسعه داده شد.

تلاش برای اعمال ترمودینامیکی مفاهیم کوانتومی به تنظیمات تاریخ را به اواسط قرن 20 زمانی که یوسف Geusic, E. M. Schulz-دوبوا و H. E. جرثقیل Scovil پیشنهاد اول کوانتومی موتور.از آن ساخته شده بود از یک میزر که در عمل مانند یک لیزر اما خروجی مایکروویو نور است. بعد رونی Kosloff از دانشگاه عبری اورشلیم و همکاران خود کمک کرده و به نوبه خود کوانتومی موتورهای به خود subfield. دیگر پیشگام است Marlan Scully, گاهی اوقات به نام کوانتومی “کابوی” که آثار کوانتومی اپتیک در دانشگاه پرینستون و Texas A&M دانشگاه و همچنین افزایش گاو. در ضمن نظریه پردازان Gian Paolo Beretta اواخر الیاس Gyftopoulos و اواخر جورج Hatsopoulos مورد مطالعه پیکان زمان از دیدگاه کوانتومی. و منی, انتشار, بود, Seth Lloyd را 1988 دکتری در دانشگاه راکفلر, “سیاه چاله ها و شیاطین و از دست دادن انسجام: چگونه سیستم های پیچیده دریافت اطلاعات و آنچه آنها با آن” که در تاسیس بسیاری از ایده های مهم برای زمینه ترمودینامیک کوانتومی.

کوانتومی Steampunk ابزار

به عنوان ما را دیده اند آنتروپی نقش مهمی در ترمودینامیک نظریه اطلاعات کوانتومی و نظریه. آنتروپی است که اغلب به عنوان یک نهاد اما در واقع بسیاری از نژادهای آنتروپی وجود دارد را در قالب های مختلف توابع ریاضی که در توصیف موقعیت های مختلف. بهترین و شناخته شده ترین نژاد معرفی شدند به ترمودینامیک توسط لودویگ بولتزمان و Josiah ویلارد گیبس در 1800s به تئوری اطلاعات توسط تلفن بل Labs کارمند کلود شانون در سال 1948 و به نظریه کوانتومی اطلاعات توسط فیزیکدان نظری جان فون نویمان در سال 1932. این آنتروپی تعیین کمیت نه تنها عدم قطعیت و همچنین بهره وری که با آن ما می توانید اطلاعات-پردازش وظایف مانند فشرده سازی داده ها و ترمودینامیکی وظایف مانند تأمین انرژی از یک ماشین.

شناسایی جدید آنتروپی توابع به صورت مدرن در مقیاس کوچک کوانتومی سیستم یکی از وظایف کلیدی کوانتومی steampunk نظریه پردازان. فرض کنید ما در حال تلاش برای استفاده از گرفتاری به اشتراک گذاری اطلاعات در یک کانال خاص. ما ممکن است بخواهید وجود دارد نظری محدودیتی برای چگونه کارآمد ما می توانیم انجام این کار ؟ جواب به احتمال زیاد خواهد شد بستگی دارد در یک آنتروپی.

Illustration demonstrates that the MBL-mobile—a quantum steampunk thought experiment—goes through a four-step cyclical process to produce work, similar to a car engine
اعتبار: جورج Retseck

یکی دیگر کوانتومی steampunk هدف این است که ساختمان چه فیزیکدانان تماس با منابع ديگر ، این نظریه برجسته محدودیت های که تحت آن عمل می کنیم. مثلا قانون اول ترمودینامیک محدودیتهای ما را به صرفه جویی در انرژی: ما نمی توانیم در ایجاد یا از بین بردن انرژی; ما فقط می توانیم شنت آن از یک فرم و یک سیستم دیگر. فیزیکدانان ممکن است یک وضعیت که در آن وجود دارد محدودیت هایی مانند محیط های با حرارت ثابت و سپس سعی کنید به مدل وضعیت ریاضی با منابع تئوری. با استفاده از منابع تئوری ما می توانیم محاسبه بهره وری مطلوب با آن یک وظیفه انجام می شود. به طور معمول بهره وری برابر است با یک تابع از یک آنتروپی.

یک سوم مساحت تمرکز در تلاش ما برای به روز رسانی ترمودینامیک است که به استخراج معادلات به نام نوسان روابط. این معادلات در حال الحاقات از قانون دوم ترمودینامیک که دیکته که آنتروپی در یک بسته جدا شده سیستم می تواند کاهش دهد. نوسان روابط حاکم بر سیستم های کوچک در معرض نیروی قوی و به ما بگویید که در مورد کار این نیروها انجام است.

در سال 1996 کریستوفر Jarzynski در حال حاضر در دانشگاه مریلند ثابت کرد یکی از بهترین و شناخته شده نوسان روابط. Thermodynamicists تماس با آن Jarzynski را برابری اگر چه Jarzynski بسیار متواضع او هرگز می کند. Experimentalists استفاده از این برابری به اندازه گیری خاص ترمودینامیکی ملک از سیستم های کوچک. به عنوان مثال تصور کنید یک رشته DNA شناور در آب با همان درجه حرارت به محیط اطراف آن است. این رشته مقداری از انرژی است که در واقع انرژی است که یک سیستم می توانید در قرعه کشی به انجام کار می کنند. با استفاده از لیزر دانشمندان می توانند دام یک پایان رشته و جلو و انتهای دیگر. پس از آنها نگه رشته محکم بسته شده در حالی که DNA را بازگشت به راه حل دما در آن نقطه رشته های مختلف را داشته باشد مقدار زیادی از انرژی رایگان. تفاوت در انرژی دارای برنامه های کاربردی در شیمی و داروسازی و زیست شناسی. ما می توانیم برآورد رایگان-انرژی تفاوت کشش این رشته در بسیاری از آزمایشات اندازه گیری کار مورد نیاز در هر محاکمه متصل کردن داده های ما به Jarzynski را برابری و حل معادله.

چگونه بسیاری از محاکمات باید ما انجام Jarzynski و من پرسیدم برای برآورد رایگان-انرژی اختلاف با دقت خاصی? ما محاسبه حداقل تعداد آزمایش هایی که یکی به احتمال زیاد باید برای انجام و پیشنهاد یک طرح به صورت کمی دقت با استفاده از مقیاس کوچک تئوری اطلاعات. در اخیر کار همکاران من و من نشان داد که نوسانات روابط و متجدد آنتروپی توابع دو سازگار به روش مقیاس کوچک ترمودینامیک و ما با استفاده از هر روش برای روشن کردن دیگر. کوانتومی thermodynamicists در لندن, ادکلن, و در جای دیگر گسترش یافته و تیز این پژوهش است.

یک کوانتومی جدید موتور

فقط به عنوان سنتی ترمودینامیک کمک به توصیف فیزیک از موتورهای بخار تلاش های ما در ترمودینامیک کوانتومی می تواند به ما کمک اختراع کوانتومی موتورهای. Experimentalists در حال حاضر ایجاد کوانتومی موتورهای با فوتون (ذرات نور) سیستم های الکترونیکی و ابررسانا qubits (مدارهای کوانتومی است که در آن زمان جریان می توانید برای همیشه لطفا برای بدون dissipating).

من به تازگی طراحی شده جدید کوانتومی موتور با Christopher D. سفید در حال حاضر در دانشگاه مریلند Sarang Gopalakrishnan, در حال حاضر در دانشگاه شهر نیویورک و گیل Refael از موسسه فناوری کالیفرنیا. که نظریه پردازان ما در ابتدا ابداع موتور به عنوان یک آزمایش فکری وجود داشت که در ذهن ما است. اما ما نیز تجسم چگونه می تواند به دانشمندان در ساخت یک نسخه از این موتور کوانتومی با استفاده از ابزارهای موجود در آزمایشگاه های امروز است. برای مثال خنک کننده اتم و سپس به دام انداختن و دستکاری آنها را با لیزر یکی می تواند طراحی ما به زندگی است.

ما موتور شامل یک فاز از ماده به نام many-body محلی سازی (MBL)—تنوع در بیشتر آشنا فاز مایع جامد و گاز است. کوانتومی ذرات را می توان در این مرحله اگر آنها دفع یکی دیگر می توانید هاپ به آرامی در اطراف خشن, سکس تند, تصادفی, چشم انداز است. یک عنصر کلیدی از یک MBL سیستم آن است “athermality”: آن را در تعادل حرارتی. ذرات در تعادل حرارتی کشف موجود فضایی به سرعت و به طور تصادفی. اگر شما اجازه دهید بخار کاوش برای مدت زمان طولانی در مقیاس بزرگ خواص مانند دما و حجم را حل و فصل کردن و ترک و تغییر اندازه.

اما MBL ذرات اقامت در یک منطقه به جای حرکت در اطراف در تضاد با بخار ذرات. عدم تعادل حرارتی در خدمت به عنوان یک منبع در ترمودینامیکی وظایف. موتورهای خودرو مثلا تکیه بر داشتن یک مایع داغ در نزدیکی یک مایع سرد. این جفت ارز از مایعات است که در تعادل حرارتی به دلیل داغ ذرات موضعی در یک منطقه و سرد ذرات در دیگری—بدون ذره به بررسی کل فضا. به عنوان یک موتور ماشین طول می کشد استفاده از مایعات’ athermality من و همکاران من در زمان استفاده از MBL ذرات’ athermality. ما تماس با ما ساخت و ساز MBL-تلفن همراه.

یک موتور خودرو دستخوش چهار مرحله است که به صورت یک چرخه یا یک حلقه بسته. در پایان حلقه بازده موتور به حالت اولیه خود را با داشتن رو ماشین برخی از راه دور توسط انتقال حرارت از سیال گرم به سرد است. این MBL-تلفن همراه بیش از حد دستخوش چهار مرحله چرخه. ما در موتور چرخه ما ضامن و یا انتقال اتم از یک حرارتی مرحله است که در آن ذرات می تواند در سراسر فضا به MBL و برگشت. به چرخ ضامن دار موتور ما تغییر چشم انداز ذرات ساکن از نسبتا مسطح به خشن با دستکاری لیزر’ تنظیمات. قبل از هر ratcheting موتور تبادل گرما با محیط خارجی. موتور تعامل با محیط زیست که در آن حرارتی مرحله و با یک محیط سرد که در آن MBL فاز. در خلاصه این چهار مرحله عبارتند از: (1) تبادل گرما با محیط زیست در حرارتی فاز (2) چرخ ضامن دار از حرارتی مرحله به MBL, (3) تبادل گرما با یک حمام سرد و (4) چرخ ضامن دار از MBL به حرارتی فاز.

ما ارزیابی چگونه به خوبی یک MBL-تلفن همراه می تواند با محاسبه آن قدرت و کارایی و مقایسه آنها با کسانی که از سایر موتورهای. برای مثال برخی از باکتری ها دارای تاژک یا طولانی whippy دم چرخش با موتور. چگونه این موتورهای کوچک در مقایسه با ما ؟ ما موتور ما برآورد می توانید خروجی حدود 10 بار flagellum قدرت. از سوی دیگر ما چگونه کوانتومی موتور در مقایسه با موتور خودرو? ما حدود دو موتور قدرت تراکم یا قدرت خروجی در هر واحد حجم: یک موتور خودرو با استفاده از فضای بیشتر به طور موثر هر چند تنها حدود 10 بار بیشتر است.

این MBL فاز می دهد ما موتور چهار مزیت است. اولین موتور می توانید هر اندازه از 10 ذرات به بسیاری از بی نهایت. برای ساخت یک موتور بزرگ شما شروع با یک مینی موتور از 10 ذرات. شما ساخت بسیاری از نسخه مینی موتور و سپس عمل آنها را در کنار هم. اگر مینی موتورهای رفتار حرارتی آنها خواهد از تداخل با یکدیگر به دلیل یک مینی موتور ذرات خواهد ولگرد به یکی دیگر از مینی موتور. MBL تضمین می کند که چه اتفاقی می افتد در یک مینی موتور باقی می ماند وجود دارد. بنابراین شما می توانید خودرا برای امتحان اماده بسیاری از مینی موتور نزدیک به هم دادن کل موتور قدرت بالا چگالی: این MBL-موبایل مزیت دوم.

سومین مزیت سطوح اگر شما این موتور در بسیاری از آزمایشات است. در برخی از آزمایشات موتور انجام خواهد شد کار می کنند. در چند آزمایش هر چند موتور را جذب کار انجام مخالف آنچه در آن باید. کمتر از این بدترین مورد محاکمه رخ می دهد اگر شما چرخ ضامن دار موتور بین MBL و حرارتی مرحله از اگر شما چرخ ضامن دار موتور در اطراف در MBL فاز. علاوه بر این مقدار کار متفاوت بوده و کمتر از موفق محاکمه به دادگاه موفق اگر شما استفاده از MBL; MBL افزایش موتور قابلیت اطمینان.

موفقیت ما با MBL-موبایل حداقل در فکر آزمایش نشان می دهد که MBL ممکن است بیشتر برنامه های کاربردی در دیگر ترمودینامیکی وظایف است که نیاز به انجام. برای مثال تصور کنید که معکوس ما چرخه. موتور باید خنک انتقال حرارت از محیط سرد به گرم است. کوانتومی نیاز به سیستم های تبرید برای خواص مانند گرفتاری به آشکار. یک MBL یخچال و فریزر می تواند در خدمت برای خنک کردن بسیاری از ذرات کوانتومی سیستم های. دیگر دانشمندان نیز نوشت: یک پیشنهاد به استفاده از MBL برای ذخیره انرژی است. و به تازگی همراه با همکاران من من شروع به ایجاد یک زندگی واقعی نسخه از موتور با استفاده از یکی دیگر از مجموعه ای از ابزار: ابررسانا بیت کوانتومی در یک میدان مغناطیسی است. فرصت های فراوان که ما درخواست کوانتومی steampunk فکر کردن به علم مواد.

زل زده طریق یک عینک یک چشمی کوانتومی

یک steampunker نگاه به آینده از طریق یک عینک یک چشمی. چه او را ببینید ؟ ریاضی و فیزیکی کیت ابزار است جامد در تقاطع نظریه کوانتومی اطلاعات تئوری و ترمودینامیک. ما همچنین به درخواست که کیت ابزار به دیگر حوزه های علم: علم مواد در MBL-تلفن همراه; شیمی; فیزیک انرژی بالا مانند سیاه چاله ها و بافت فضا زمان و اتمی و مولکولی فیزیک نوری.

فن آوری های گریه کردن برای برنامه های کاربردی. اکثر کوانتومی steampunk کار نظری است اگر چه در دنیای واقعی آزمایش را آغاز کرده اند و در حال افزایش است. اما فقط به عنوان توسعه ترمودینامیک کمک به درایو انقلاب صنعتی و اختراعات جدید باید به دنبال از کوانتوم در مقیاس کوچک و اطلاعات ترمودینامیک. MBL موتورهای نمی خواهد قدرت اتومبیل های ما در این دهه است. اما مولکولی سوئیچ های خورشیدی, سوخت تمیز و گرما-dissipating ترانزیستور ها در مقیاس کوچک فن آوری های وابسته به ترمودینامیک. آنها باید راهنمای نظریه.

چالش دیگر این است که برای متحد کردن های مختلف تلاش های درون کوانتومی steampunk—متجدد آنتروپی منابع تئوری نوسانات, روابط کوانتومی-حرارتی ماشین آلات و بیشتر. اینها تنها برخی از بسیاری از انواع مختلف کار در رفتن در اطراف جهان و ابزارهای جدید در حال توسعه. آشتی این عوالم’ تعاریف مختلف و نتایج را تحکیم یک نظریه کوانتومی ترمودینامیک.

ترمودینامیک حمل بوی موتور گریس و شن بخار در سراسر روستا در قطار اول و فتح امواج در اقیانوس آستر از حیرت و شگفتی در چشم انداز از یک بالون هوای گرم. اطلاعات کوانتومی علم تبدیل چگونه ما درک محاسبات ارتباطات رمزنگاری و اندازه گیری. شما در حال خواندن در مورد این تلاقی قدیمی و جدید در علمی آمریکا, اما شما نیز ممکن است به برگزاری یک رمان توسط H. G. Wells یا ژول ورن.

tinyurlis.gdv.gdv.htclck.ruulvis.netshrtco.de

Leave a reply

You may use these HTML tags and attributes: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>