فيزياء الجسيمات: إعادة صياغة قوانين الديناميكا الحرارية وتحدي حد كفاءة «كارنو» في المقياس الذري

مقدمة: عندما تتلاشى القواعد الكلاسيكية عند حدود الذرة

على مدار قرنين من الزمان، ظل مبدأ «كارنو» (Carnot principle) حجر الزاوية في الفيزياء الحرارية، حيث وضع حداً أقصى نظرياً للكفاءة التي يمكن أن يحققها أي محرك حراري أثناء تحويل الطاقة الحرارية إلى شغل ميكانيكي. هذا المبدأ، الذي صاغه الفيزيائي الفرنسي سادي كارنو في عام 1824، لم يكن مجرد قاعدة تقنية، بل صار جزءاً لا يتجزأ من القانون الثاني للديناميكا الحرارية، معتبراً أن الفوارق في درجات الحرارة هي المحدد الوحيد للكفاءة. ومع ذلك، يشهد العصر الحالي تحولاً جذرياً؛ إذ نجح فيزيائيون من جامعة شتوتغارت الألمانية في إثبات أن هذه القوانين الراسخة لا تنطبق بدقة عندما نقتحم المقياس الذري، حيث تسود قوانين ميكانيكا الكم.

الاكتشاف: تحطيم حاجز المئتي عام

في دراسة حديثة نُشرت في دورية Science Advances، قدم البروفيسور إريك لوتز والدكتور ميلتون أغويلار برهاناً رياضياً يثبت إمكانية توسيع وتعديل قوانين الديناميكا الحرارية التقليدية. ركز الباحثان على ما يُعرف بـ «الأجسام المترابطة» (Correlated objects)، وهي جسيمات ترتبط ببعضها البعض في المقياس المجهري بطرق تتجاوز التفاعلات الفيزيائية البسيطة.

لقد أظهر الباحثون أن المحركات الجزيئية والمجهرية التي تعمل في ظروف الترابط القوي تظهر سلوكاً مغايراً تماماً للمحركات البخارية أو محركات الاحتراق الداخلي. فبينما تتعامل الديناميكا الحرارية الكلاسيكية مع الغازات والجزيئات ككيانات مستقلة إحصائياً، تأخذ الدراسة الجديدة في الاعتبار «الارتباطات الكمومية» (Quantum correlations)، وهي تلك الروابط الخفية التي تنشأ بين الجسيمات في النظم فائقة الصغر، مما يغير من طبيعة تبادل الطاقة تماماً.

الأهمية العلمية: الكفاءة التي تتجاوز الحدود التقليدية

يكمن الجوهر العلمي لهذا الاكتشاف في فهم الكيفية التي تعالج بها المحركات الذرية الطاقة. في الصيغة الكلاسيكية لكارنو، تعتمد الكفاءة حصراً على الفرق بين درجة حرارة المصدر الساخن والمبرد البارد. ولكن، من خلال اشتقاق قوانين ديناميكا حرارية معممة، كشف لوتز وأغويلار أن المحركات الكمومية لا تقوم بتحويل الحرارة فحسب، بل يمكنها استغلال «الارتباطات الكمومية» وتحويلها إلى شغل مفيد.

هذه المساهمة الإضافية من الطاقة المرتبطة بالروابط الكمومية تعني أن المحرك الذري يمكنه إنتاج شغل أكبر مما تسمح به النظرية الكلاسيكية، وبالتالي تحقيق كفاءة تتجاوز «حد كارنو» التقليدي. وبحسب البروفيسور لوتز، فإن المحركات التي لا يتجاوز حجمها ذرة واحدة ليست مجرد فرضية مستقبلية، بل هي كيانات قادرة على تحقيق أقصى قدر من الكفاءة الطاقية بطرق لم نكن نتخيلها في الأنظمة الضخمة.

الآفاق المستقبلية: نحو عصر المحركات الكمومية

لا تتوقف أهمية هذا البحث عند تصحيح المفاهيم النظرية، بل تمتد لتشمل تطبيقات تكنولوجية ثورية. إن فهم كيفية عمل القوانين الفيزيائية في المقياس الذري سيسرع من تطوير الجيل القادم من التقنيات النانوية.

من المتوقع أن يمهد هذا الاكتشاف الطريق لبناء «محركات كمومية» فائقة الصغر وعالية الكفاءة، قادرة على أداء مهام دقيقة للغاية داخل جسم الإنسان، مثل الروبوتات النانوية الطبية التي يمكنها توصيل الأدوية للخلايا المصابة بدقة متناهية، أو الآلات التي تقوم بهندسة المواد ذرة بذرة. إن إعادة فحص المبادئ العلمية الأساسية، مثل قانون كارنو، يثبت مرة أخرى أن العلم لا يعرف الثبات، وأن آفاق التكنولوجيا مرتبطة ارتباطاً وثيقاً بمدى فهمنا لأعمق أسرار المادة في أصغر مستوياتها.