200-летний предел Карно перестал быть пределом — квантовые машины извлекают энергию не только из тепла, но и из невидимых связей между частицами

Физики из Университета Штутгарта представили исследование, которое ставит под вопрос одно из самых устойчивых положений термодинамики. Профессор Эрик Луц и постдокторант Милтон Агилар показали, что на атомном уровне классический принцип Карно, сформулированный ещё в 1824 году, перестаёт действовать в привычной форме. Их расчёты доказали, что квантовые системы могут достигать эффективности выше, чем допускает теория Карно, считавшаяся непреложной границей для всех тепловых машин на протяжении двух столетий.

Принцип Карно утверждает: если два двигателя работают между одинаковыми горячим и холодным источниками тепла, то их КПД не может превысить эффективность идеальной, обратимой установки, функционирующей при тех же условиях. Этот постулат стал основой второго закона термодинамики и описывает работу любых тепловых устройств — от паровых турбин до двигателей внутреннего сгорания. Но Луц и Агилар доказали, что этот предел неприменим, когда речь идёт о микроскопических объектах, где действуют законы квантовой механики.

Учёные объясняют: Карно исходил из крупномасштабных систем, в которых движение частиц усредняется, а взаимное влияние можно не учитывать. В мире атомов всё иначе — частицы могут быть связаны квантовой корреляцией, особым состоянием, при котором поведение одной напрямую зависит от другой, даже если они разделены расстоянием. Эти невидимые связи, не предусмотренные классической моделью, меняют саму физику энергообмена. Именно они, по словам исследователей, открывают возможность для новой формы термодинамики, описывающей процессы на уровне отдельных молекул.

Авторы разработали математическую модель, которая позволяет оценивать эффективность квантовых машин, способных извлекать энергию не только из тепла, но и из самих корреляций между частицами. Это означает, что на атомном уровне двигатель может использовать внутренние состояния системы, превращая взаимосвязь частиц в дополнительный источник энергии. В результате его производительность может превышать предел, установленный принципом Карно.

Такой подход радикально меняет представление о фундаментальных ограничениях физики. Если ранее считалось, что все тепловые машины подчиняются единому закону эффективности, то теперь становится ясно, что в квантовом масштабе возможны исключения. Миниатюрные системы — вроде искусственных молекул или наномеханизмов — способны работать эффективнее, чем любые традиционные установки.

По словам Эрика Луца, это открытие не просто теоретический расчёт: оно закладывает основу для квантовых двигателей, которые смогут функционировать на уровне одной молекулы или атома. Такие наномашины потенциально можно будет применять в медицине — например, для управления микроскопическими роботами в кровеносной системе, — а также в промышленности, где требуется воздействовать на материалы на атомарном уровне.

Исследователи подчёркивают, что речь идёт не об отмене второго закона термодинамики, а о его расширении. Теперь у него появилось квантовое дополнение, учитывающее эффекты, не проявляющиеся в макромире. Хотя эти выводы пока теоретические, они открывают перед физикой и инженерией новый горизонт — возможность создания ультраэффективных микродвигателей, использующих саму энергию квантовых связей.