Kuantum fiziğinin yasaları zamanla tersine çevrilebilir! Termodinamiğin ikinci yasasını ihlal edebilir mi?
Entropi oluşumu, yani sistemdeki düzensizlik derecesinin artması, makro dünyada termodinamiğin ikinci yasasının kaçınılmaz eğilimidir. Bu, klasik fizikte anlatılan süreci geri döndürülemez hale getirir ve bu, zaman akışının yönüne götürür. Ancak bu eğilim, kuantum mekaniği tarafından kontrol edilen mikroskobik dünya için geçerli olmayabilir. Kuantum fiziğinin yasaları zamanla tersine çevrilebilir, bu nedenle mikroskobik dünyada fenomenlerin akışının önceliği yoktur. Çağdaş bilimsel araştırmanın en önemli hedeflerinden biri, kuantum dünyasından klasik dünyaya geçişin tam olarak nerede ve neden gerçekleştiğini bilmek - diğer bir deyişle, entropi üretimini neyin egemen kıldığını bulmaktır. Bu amaç, tek bir atom kadar küçük olmayan, ancak net kuantum davranışı sergileyen mezoskopik sistemleri incelemeye yönelik mevcut ilgiyi açıklıyor.
Boko Park-Science Popularization: Brezilya'dan ve diğer yerlerden araştırmacılar tarafından yapılan yeni bir deneysel çalışma bu alana önemli katkılarda bulundu. Yakın zamanda "Physics Review Letters" da bunun üzerine bir araştırma makalesi yayınlandı. Sao Paulo Üniversitesi (IF-USP) Fizik Enstitüsü'nden Profesör Gabriel Teixeira Landi, iki sistem üzerinde çalıştığımızı söyledi: biri Bose-Einstein yoğunlaşması, bunun 100.000'i Atomlar bir boşlukta tutulur; diğeri ise ışığı iki ayna arasında hapseden bir refraktör boşluğudur. Landi, entropi üretimi ile ilgili teorik modellerin ve bu iki deney için ölçülebilir miktarların geliştirilmesinden sorumlu bilim adamlarından biridir. Araştırma Sao Paulo Araştırma Vakfı-fapesp tarafından finanse edildi. İsviçre Federal Teknoloji Enstitüsü (ETH Zürih) Bose-Einstein yoğunlaşmasını inceledi ve Avusturya'daki Viyana Üniversitesi (Avusturya'daki Viyana Üniversitesi) kavite refraktometresini inceledi.
İki kuantum harmonik osilatör (yeşil) farklı sıcaklıklarda iki termal banyoya bağlandığında, statik durumun bir açıklaması elde edilir. Bu durumda ısı, yüksek sıcaklıktaki ısı kaynağından düşük sıcaklıktaki ısı kaynağına akacak ve geri dönüşü olmayan davranış gösterecektir. Bu çalışmada açıklanan deneyler, kavramsal olarak bu basitleştirilmiş duruma benzer oldukları için seçilmiştir. Resim: Gabriel Teixeira Landi
Bose-Einstein yoğunlaşması genellikle "maddenin beşinci hali" olarak adlandırılır (diğer dört durum katı, sıvı, gaz ve plazmadır). Bir atom grubu neredeyse mutlak sıfıra soğutulduğunda oluşur. . Bu koşullar altında, parçacıklar artık göreceli hareket için serbest enerjiye sahip değiller ve parçacıkların bazıları aynı kuantum durumuna giriyor ve birbirinden ayırt edilemez hale geliyor. Atomlar, genellikle aynı parçacıklar için geçerli olan sözde Bose-Einstein istatistiğini takip eder. Bose-Einstein yoğunlaşmasında, tüm atom grubu tek bir parçacık olarak görünür. Optometrist kavite temelde bir ışık tuzağıdır. Bu özel örnekte aynalardan biri, mekanik titreşim yapabilen nano filmlerden oluşur. Bu nedenle deney, ışık ve mekanik titreşim arasındaki etkileşimi içerir. Her iki sistemde de, biri sıcak diğeri soğuk olmak üzere iki ısı kaynağı vardır, böylece ısı bir ısı kaynağından diğerine akabilir.
Bu durumların her ikisi de geri döndürülemez bir sürecin özelliklerini gösterir, dolayısıyla entropi artar. Ek olarak, kuantum etkilerinden dolayı tersinmezlik gösterirler ve bu deneyler, klasik etkiler ile kuantum dalgalanmaları arasında net bir ayrım yapar. Bu araştırmanın temel zorluğu, entropi üretiminin doğrudan ölçülememesidir. Bu nedenle, ilgili deneylerde bilim adamları, entropi oluşumu ile diğer sinyalin tersinmezliği ve doğrudan ölçülebilir fenomenler arasında teorik bir ilişki kurmak zorunda kaldılar. Her iki durumda da boşluktan sızan fotonları ölçmeyi seçtiler ve kasıtlı olarak bir miktar ışığın kaçmasına izin vermek için yarı saydam bir ayna kullandılar. Boşluktaki ortalama foton sayısı ve titreşimli aynanın mekanik değişiklikleri ölçülür. Her iki deneyde de kuantum dalgalanmaları tersinmezliği artırdı ki bu, mantık dışı bir keşiftir. Terfi edilmesi zorunlu olmayabilir. Her iki durumda da olur, ancak diğer durumlarda etkili olmayabilir. Bu iki deneyi, bu platformda entropiyi yeniden düşünmeye yönelik ön girişimler olarak görüyorum. Örneğin, daha az rubidyum atomu veya daha küçük optik boşluklarla daha fazla deney yapmak için kapıyı açtılar.
Bilgi kaybı ve düzensizliği
Landi, yakın zamanda yapılan bir teorik çalışmada, klasik dalgalanmaların (ısı üreten atomların ve moleküllerin titreşimleri) ve kuantum dalgalanmalarının aynı anda nasıl gerçekleştiğini ve mutlaka aynı sonuca götürmediğini gösterdi. Yeni deneylerin öncüsü. Hem yoğuşma suyu hem de ışık muhafazası mezoskopik olaylardır. Bununla birlikte, diğer mezoskopik olaylardan farklı olarak, kuantum özellikleri, çevrenin korunması nedeniyle mükemmel bir şekilde korunmaktadır. Bu nedenle klasik ve kuantum fenomeni arasındaki entropi üretim rekabetinin çok net bir şekilde gözlemlenebildiği kontrollü bir durum sağlarlar. Entropi pek çok şekilde açıklanabilir, bilgi açısından bakarsak entropinin artması bilgi kaybı demektir. Termodinamik açıdan entropi, düzensizliğin derecesini ölçer. Entropi ne kadar büyükse, sistemdeki düzensizlik o kadar büyüktür. Bu iki bakış açısını birleştirerek, bu fenomeni daha kapsamlı bir şekilde anlayabiliriz.
Bose-Einstein yoğunlaşması ve optik boşluk, "kuantum simülasyon platformları" olarak adlandırılan örneklerdir. Bu platformlar, bilim insanlarının bilginin ilerlemesinin önündeki büyük bir engelden kaçınmalarını sağlar, çünkü doğada bazı önemli sistemler için tanımlayıcı modeller vardır, ancak hesaplama zorlukları nedeniyle tahmin edilemezler. En ünlü örnek, yüksek sıcaklık süperiletkenliğidir. Sıvı nitrojenin kaynama noktasında (yaklaşık -196 ° C) bazı malzemelerin süper iletkenler gibi olabileceğini kimse bilmiyor. Yeni platform, bu sistemleri simüle edebilen kuantum cihazları sağlıyor. Bununla birlikte, bunu kontrol edilebilir bir şekilde yaparlar, tüm karmaşık faktörleri ortadan kaldırırlar ve yalnızca ilgili en basit fenomene odaklanırlar. Son yıllarda, kuantum simülasyonu kavramı çok popüler hale geldi ve simülasyonlar tıptaki önemli moleküllerden kozmolojideki anahtar yapılara kadar uzanıyor.
Brocade Park-Bilim Popülerleştirme Araştırma / Gönderen: FAPESP
José Tadeu Arantes, FAPESP
Referans Dergi Literatürü: "Physics Review Letters"
Kağıt DOI: 10.1103 / PhysRevLett.121.160604
Brocade Park - Evren Biliminin Güzelliğini Sunuyor
