量子發動機:基於粒子交換原理,不用燃燒燃料,也能產生動力
95 次觀看·2024年3月18日
量子發動機的原理是利用量子力學中的一個重要概念:粒子交換對稱性。這個概念指的是,如果交換兩個相同類型的粒子,那麼系統的總能量不會改變。但是,如果這兩個粒子是玻色子,那麼它們會傾向於聚集在同一個能態上,從而降低系統的總能量;如果這兩個粒子是費米子,那麼它們會避免佔據同一個能態,從而增加系統的總能量。
因此,通過控制粒子之間的交換,可以實現對系統能量的調節,從而產生動力。在他們的量子發動機中,科學家們通過改變氣體中粒子的量子屬性來代替溫度的作用。
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量子力學是物理學的一個重要分支
它探索了極微觀的粒子的奇異行爲和相互作用
這些粒子遵循一些與經典物理學不同的規律
使得科學家能夠開發出更先進、更高效的新技術
在計算機、通信和能源等領域實現了革命性的突破
在日本沖繩科學技術研究所
量子系統部門的研究人員
與德國凱澤斯·勞騰蘭道大學和斯圖加特大學的合作伙伴一起
創造了一種基於量子規律運行的微型發動機
他們設計並構建了一種不需要燃料燃燒來產生動力的發動機
而是利用了量子力學中的一個基本原理
在常見的汽車發動機中
燃料和空氣的混合物在燃燒室內被點燃
這樣產生的爆炸會使氣體升溫
從而推動活塞往復運動
驅動汽車車輪旋轉
量子發動機的原理是利用量子力學中的一個重要概念
粒子交換對稱性
這個概念指的是
如果交換兩個相同類型的粒子
那麼系統的總能量不會改變
但是如果這兩個粒子是玻色子
那麼它們會傾向於聚集在同一個能態上
從而降低系統的總能量
如果這兩個粒子是費米子
那麼它們會避免佔據同一個能態
從而增加系統的總能量
因此通過控制粒子之間的交換
可以實現對系統能量的調節
從而產生動力
在它們的量子發動機中
科學家們通過改變氣體中粒子的量子屬性
來代替溫度的作用
要理解這種變化如何驅動發動機
我們需要知道
所有粒子都可以根據其量子特性分爲兩類
玻色子或費米子
當溫度非常低時
量子效應就顯現出來
玻色子比費米子具有更低的能態
這種能量差就可以被用來驅動發動機
量子發動機並不像傳統發動機那樣
通過週期性的加熱和冷卻氣體來工作
而是通過將費米子轉化爲玻色子
再轉化回來來實現
要將費米子變成玻色子
你可以將兩個費米子結合成一個分子
這個新分子就是玻色子
將其分解可以讓我們重新獲得費米子
通過重複這樣做
我們可以在不使用溫度的情況下驅動發動機
量子系統部門主任Thomas Bush教授說
雖然這種類型的發動機
只能在量子狀態下運行
但研究團隊發現它具有相當高的效率
在德國合作伙伴目前建立的實驗裝置中
可以達到25%
這種新型發動機
是量子力學領域的一項令人振奮的創新
並可能促進量子技術這一新興領域的進一步發展
但這是否意味着
我們很快就會看到量子力學
爲我們的汽車發動機提供動力呢?
雖然這些系統非常高效
但我們只是與實驗合作伙伴一起進行了概念驗證
Kathy Menon說
構建有用的量子發動機仍然面臨許多挑戰
如果溫度過高
溫度會破壞量子效應
因此研究人員必須儘量保持系統的低溫
然而
在如此低的溫度下
運行實驗需要大量的能量
以保護敏感的量子狀態
研究的下一步將涉及解決有關係統運行的基本理論問題
優化其性能
並研究其對其他常用設備的潛在適用性

