Физики создали двигатель горячее Солнца — температура превысила 10 миллионов кельвинов

Учёные из Королевского колледжа Лондона создали двигатель, который не только миниатюрен до атомного уровня, но и горячее солнечного ядра. Его температура достигает 10 миллионов кельвинов - в семь раз больше, чем в центре Солнца. Работа британских физиков, опубликованная в журнале Physical Review Letters, открывает новые горизонты в понимании термодинамики микромира и показывает, как могут работать "невидимые" двигатели на уровне атомов и белков.

Мотор, который бросает вызов законам физики

Экспериментальная установка представляет собой одиночную заряженную частицу, удерживаемую в так называемой ловушке Пауля - электромагнитном поле, стабилизирующем её положение в пространстве.

Когда на электроды подают случайное ("шумовое”) напряжение, частица начинает колебаться и быстро нагревается до экстремальных температур. Этот процесс исследователи называют "наномеханическим двигателем", хотя он не похож на классические машины: у него нет ни ротора, ни поршней, ни источника топлива.

"Поняв термодинамику на таком неинтуитивном уровне, мы сможем проектировать более совершенные двигатели и проводить эксперименты, которые бросают вызов нашему пониманию природы", — рассказала Молли Мессадж, аспирантка Королевского колледжа Лондона и ведущий автор работы.

Температура выше солнечного ядра

Для сравнения: температура в центре Солнца оценивается примерно в 15 миллионов °C (около 1,5x10⁷ Кельвинов), тогда как двигатель исследователей нагревает микрочастицу до 10 миллионов кельвинов, что эквивалентно почти 10⁷ °C.

При таких значениях привычная физика перестаёт быть интуитивной. В системе наблюдались парадоксальные эффекты: двигатель иногда вырабатывал больше энергии, чем получал, а в других случаях самопроизвольно охлаждался. Эти аномалии объясняются тепловыми флуктуациями, которые проявляются только на микроскопическом уровне.

Что такое ловушка Пауля

Ловушка Пауля — это система из четырёх электродов, создающих электрическое поле, удерживающее заряжённые частицы в воздухе или вакууме. Такие устройства широко применяются в квантовой физике и ионных компьютерах, где они позволяют манипулировать отдельными атомами и ионами.

В данном эксперименте физики использовали одну микрочастицу — меньше миллиметра — и воздействовали на неё переменными электрическими полями. В результате частица начала двигаться как в миниатюрном колебательном двигателе, превращая хаос в контролируемое движение.

"Наш двигатель показывает, что термодинамика в микромире подчиняется иным правилам: энергия может кратковременно "появляться” из флуктуаций, а порядок — возникать из хаоса", — объяснил соавтор исследования Джонатан Притчетт.

Почему это важно для науки

Хотя практического применения у "самого горячего двигателя" пока нет, установка позволяет смоделировать фундаментальные процессы, которые происходят внутри живых клеток.

Один из примеров — сворачивание белков, обеспечивающее работу организма. Белковые цепочки складываются за миллисекунды, а движение отдельных атомов происходит за наносекунды, и вычислительным моделям трудно описывать такие разницы во времени.

"Белки складываются за миллисекунды, а движение их атомов — за наносекунды. Просто наблюдая за микрочастицей и рассчитывая на основе этого ряд уравнений, мы можем избегать вычислительных ограничений", — отметил Джонатан Притчетт.

Нарушая термодинамику

На макроуровне термодинамика жёстко определяет, что энергия не может быть создана из ничего. Но в микромасштабе — на уровне атомов и молекул — возможны временные "нарушения": энергия может кратковременно возрастать или исчезать из-за квантовых флуктуаций.

Такие явления уже наблюдались ранее в экспериментах с атомными ловушками и квантовыми системами, но двигатель Королевского колледжа стал первой установкой, где их удалось зафиксировать в условиях искусственного нагрева до экстремальных температур.

Микродвигатели будущего

Учёные надеются, что принципы, продемонстрированные на наномоторе, помогут:
• лучше понять динамику белков и клеточных механизмов;
• разработать новые типы материалов, реагирующих на внешние поля;
• создать эффективные квантовые микромашины, которые смогут управлять движением атомов.

"Мы изучаем предельные состояния материи, чтобы увидеть, где заканчиваются классические законы и начинаются квантовые. Эти эксперименты открывают путь к созданию новых типов двигателей, работающих не за счёт топлива, а за счёт микроскопических флуктуаций энергии", — отметила Молли Мессадж.

Ошибка → Последствие → Альтернатива

• Ошибка: пытаться объяснить микроскопические явления только законами классической физики.
  Последствие: противоречия в данных и невозможность предсказать поведение систем.
  Альтернатива: использовать гибридные модели, сочетающие квантовую механику и статистическую термодинамику.

• Ошибка: считать, что флуктуации — это просто шум.
  Последствие: игнорирование фундаментальных источников движения материи.
  Альтернатива: рассматривать их как основу энергетических переходов на атомном уровне.

• Ошибка: искать практическое применение слишком рано.
  Последствие: потери фокуса фундаментальных исследований.
  Альтернатива: использовать подобные эксперименты для уточнения физических констант и законов природы.

Плюсы и минусы открытия

FAQ

Что делает двигатель "самым горячим"?
Температура микрочастицы достигает 10 млн К — выше, чем в ядре Солнца.

Почему его называют "самым маленьким"?
Он состоит всего из одной удерживаемой частицы — это двигатель на уровне нанометров.

Нарушает ли он законы физики?
Нет. Он демонстрирует, что в микромире действуют вероятностные законы, допускающие кратковременные флуктуации энергии.

Можно ли использовать его в реальных устройствах?
Пока нет. Установка служит для изучения микродинамики и тестирования теорий.

Мифы и правда

Миф: этот двигатель может вырабатывать бесконечную энергию.
Правда: энергетические "скачки" кратковременны и не нарушают закон сохранения.

Миф: температура измерялась напрямую.
Правда: она вычислялась по скорости и амплитуде колебаний микрочастицы.

Миф: установка опасна.
Правда: масштаб энергии настолько мал, что она безопасна даже при миллионах кельвинов.

Три интересных факта

• При температуре 10 млн К атомы теряют почти все электроны и превращаются в плазму.
• Ловушка Пауля названа в честь Нобелевского лауреата Вольфганга Пауля, разработавшего метод удержания ионов в 1950-х.
• Эксперимент помогает лучше понять, как двигаются белки и как энергия распределяется внутри клеток.

Исторический контекст

• Первые опыты с ионными ловушками начались в середине XX века и применяются сейчас в квантовых компьютерах.
• Концепция микродвигателей на основе случайных флуктуаций появилась в 1990-х годах, но тогда не существовало технологий для их реализации.
• В 2025 году физики из Лондона впервые достигли температур, сравнимых с солнечными, в системе размером меньше атома пыли.