فيزيائيون يصممون محرك كمومي صِفْري الاحتكاك...

ترجـمة : Erwin Mikazoki Chafros
تصميم : علاء الموصلي
------------------------------------------------
في العمليات الفيزيائية الحقيقية، بعض من الطاقة تتم خسارتها في اي وقت خلال العمل . الطاقة المفقودة تحدث دائما و بصورة تقريبية بسبب قوة الاحتكاك ، خصوصاً في العمليات التي تتضمن حركة ميكانيكية ، لكن في دراسة حديثة، قام الفيزيائيين بتصميم محرك بحيث يعمل من دون قوة احتكاك (قوة احتكاك صفرية) حيث يعمل المحرك بأستعمال بعض قدرات ميكانيك الكم.
قوانين الثرموديناميك تصف بنجاح مفاهيم العمل و الحرارة في تشكيلات كثيرة من الانظمة، مدى قوانين الثرموديناميك تبدأ من الثلاجات الى الثقوب السوداء ، ما دام النظام الذي تعمل عليه هذه القوانين يقع في حدود العالم المرئي (الماكروسكوبي). لكن من اجل تكنلوجيا الكم في حدود المايكرو و النانو، التموجات الكومية التي تكون عديمة الاهمية في المدى الكبير (المقايس الكبيرة ) تصبح بارزة(اي يبدء ظهور تأثيرها عند مقياس النانو و المايكرو). كما يعرض البحث السابق، تأثيرات الكم الكبيرة تستدعي اعادة صياغة جذرية في قوانين الثرموديناميك.
كيف تبدوا قوانين الثرموديناميك في نسختها الكمومية ؟ حتى الان يبدو غير واضح الجواب على هذا السؤال ، حتى الامكانيات او الميزات للاجهزة التي تعمل وفق ميكانيك الكم التي سوف تفسر بواسطة هكذا قوانين.
على اي حال، سؤال واحد يسبب الحيرة انه هل من الممكن انشاء محرك كمومي بحيث انه يمكن ان يعمل بدون اي تبذير للطاقة (عملية ثابتة الحرارة).
في ورقة البحث الجديدة، الفيزيائيون اظهروا مثال واحد حول محرك فائق ثباتية الحرارة....هذا هو ، المحرك الذي يستعمل ميكانيك الكم للحصول على حالة يمكن الحصول عليها فقط بعملية تغير حرارة بطيئة( اي ان معدل تغير الحرارة اقرب الى الصفر). هذا المحرك يستطيع الحصول على حالة مثالية من انعدام الاحتكاك، بكلمات اخرى، المحرك يصل الى كفائته القصوى، بينما يستطيع ان يبقى منتجا لبعض الطاقة.
"قوانين الكم تسمح لنا بتقليد ما كان يمكن الحصول عليه بتشغيل حلقة شبه سكونية (ثابته )، مع توفير تغيرات في زمن محدود، " المشارك ”ماورو باتيرنوسترو” في جامعة الملكة في بلفاست، برطانيا ، وضح لموقع phys.org . "الان، اعتبر على سبيل المثال ان عملية الضغط او التوسع في المحرك حدثت بأستعمال المكبس ، عندما يحدث هذا في وقت محدود، مثل سرعة غير صفرية، ألإحتكاك قد يؤثر على اداء التحويل بين عملية الضغط و التوسع ، حتى لحظة استعمال قوانين الكم للحصول على اقصى ثبات حراري اثناء العملية ، التأثيرات من اشباه الاحتكاك سوف تخمد ، اداء دورة المحرك سيكون مثل محرك ذو اداء شبه ستاتيكي(شبه ثابت) .
العمل يسجل خطوة بأتجاه مفتاح الهندسة في هذا السياق، الذي هو ايجاد اقصى كفائة و التي تسمح باقصى طاقة ممكنه. كما اشار العلماء، هذا السعي معقد بسبب وجود المفاضلة بين وقت تشغيل عمليات الفائق للثابتيه الحرارية و الكمية المقابلة من العمل الضائع.
"يعد هذا العمل واحد من الخطوات الاولى في عملية دمج التحكم الكمومي و الثرموديناميك"، يقول باتيرنوسترو. " لقد بينا انه من الممكن استعمال تقنيات تم استخدامها فقط سابقا لاهداف اخرى من اجل الثرموديناميك و هندسة الدورات الكفوئه".
عموما، النتائج اظهرت أمكانية عمل المحرك الكمومي ذو الاحتكاك الصفري عند اقصى كفائة ممكنه، و الذي له نتائج في تصميم محركات في مدى النانو و المايكرو التي تعمل عند حدود مدى الكم. في اثناء ذلك، هنالك العديد من العقبات للتغلب عليها.
يقول باتيرنوستور " اعتقد ان التحدي الحقيقي هو في استعمال هكذا تقنيات في تكميم التفاعلات لعديد من اجسام الانظمه، التي تعقيدها و ظواهرها العديدة المتأصله بها يمكن ترويضها بأستعمال هكذا نوع من السيطرة الكمية”
"في نهاية اليوم، الثرموديناميك هي نظرية للعديد من الجزيئات، و صيغة الكم خاصتها يجب ان تكون قادرة على تغطية العديد من تأثيرات الاجسام، التي سيطرتها يجب ان تكون فائدتها على المدى الواسع من التطبيقات الخطط الموضوعه في ورقتنا. لدينا نتائج جديدة و مثيرة، في هذا المضمار، الذي سوف يضهر قريبا و نأمل انه سوف يلاقي تأثيرا في المجتمع المهتم بفيزياء العديد من الجسيمات و الثرموديناميك الكمومي".
المصدر :-
http://phys.org/…/2014-09-physicists-zero-friction-quantum.…