Twee eeuwen natuurkunde gebouwd op een wankele ondergrond.
Al meer dan 200 jaar verklaart de thermodynamica waarom motoren draaien en koelkasten koelen. Het sluit aan bij het dagelijks leven omdat het begon als een technisch hulpmiddel. Mensen wilden de warmte-efficiëntie maximaliseren. Eenvoudig. Maar de onderliggende wiskunde was nooit helemaal rigoureus.
Nu verandert dat.
Bryan Roberts van de London School of Economics herbouwt de theorie. Hij laat traditionele methoden varen. In plaats daarvan gebruikt hij de zware machinerie van de kwantumveldentheorie. Het is een vertrek. Een gewaagde.
Er zijn eigenlijk twee niveaus in de thermodynamica”, zegt hij.
Roberts verdeelt de wereld in toegankelijk en ontoegankelijk. Denk aan een motorzuiger. Je kunt het pakken. Verplaats het. Dat is werk. Echte, tastbare manipulatie. Dan is er warmte. Verloren energie. Warmte is moeilijk vast te pinnen. Je kunt het niet als een moersleutel vasthouden. Roberts noemt dit verborgen energie.
Standaardleerboeken behandelen werk en hitte als gelijken. Vat ze maar samen. Roberts is het daar niet mee eens. Hij ziet hiërarchie.
Voer metertheorie in.
Stel je voor dat er knikkers over een vloer rollen. Ze zien er identiek uit. Identieke witte schelpen. Maar diep van binnen heeft elke knikker een unieke kleur. Je kunt de kleur niet zien. Je kunt alleen de rol bekijken.
Roberts brengt de thermodynamica precies op deze manier in kaart. De zichtbare beweging? Dat is de waarneembare ruimte. De verborgen kleuren? De bundelruimte. Het een projecteert op het ander. Als een schaduw die de vorm onthult van het voorwerp dat het werpt.
Dit is belangrijk.
Temperatuur en entropie? Het zijn niet langer vage concepten. Roberts definieert ze via deze geometrische projectie. Het werkt voor automotoren. Het werkt zelfs voor zwarte gaten. Een soepelere toepassing van regels die voorheen niet bestonden.
Klinkt dit als pure abstracte wiskunde?
Misschien niet voor lang. Experimenten met moleculaire juncties duiden er al op. Ze suggereren een thermodynamische versie van het Aharonov-Bohm-effect. In de kwantummechanica voelen geladen deeltjes verborgen magnetische velden waar ze theoretisch gezien geen interactie mee zouden moeten hebben. Warmte zou iets soortgelijks kunnen doen. Verborgen variabelen die in de fysieke realiteit verschijnen.
Roberts presenteerde dit op 16 juni op een conferentie in Irvine. De reacties waren positief. Lucas Céleri van de Federale Universiteit van Goiás in Brazilië vindt het idee prachtig.
Hij maakt zich zorgen over de kwantumthermodynamica. De definities zijn rommelig. Er zweven te veel versies van ‘werk’ en ‘hitte’ rond. De ijktheorie zou eindelijk orde kunnen opleggen. Céleri en zijn team zien al resultaten. Standaard kwantumresultaten komen overeen met het nieuwe model.
De echte test blijft.
Speciale relativiteit. De regels van Einstein. Het samenvoegen ervan met de thermodynamica is notoir moeilijk. Klassieke wiskundeproblemen. Céleri vermoedt dat meetconstructies dit werk beter aankunnen. De wiskunde past bij de natuurkunde.
Of niet.
De tijd zal leren of schaduwen het licht kunnen verklaren.
