قوانین آنتروپی در دنیای کوانتومی هم کار میکنند_آینده
به گزارش آینده
مطابق قانون دوم ترمودینامیک، آنتروپی یک سیستم ایزوله به مرور زمان افزایش مییابد. همه چیز در اطراف ما از این قانون پیروی میکند. به گفتن مثال، ذوب شدن یخ، آشفتگی اتاق، سرد شدن قهوه داغ و پیری، همه مثالهایی از افزایش آنتروپی در طول زمان می باشند.
آنتروپی (entropy) مفهومی علمی و این چنین یک خاصیت فیزیکی غیر قابل اندازهگیری است که در عادیترین حالت با حالت اختلال، اتفاقی بودن و عدم قطعیت مرتبط است. به عبارتی، آنتروپیِ یک سامانه فیزیکی، کمترین تعداد ذراتی است که برای تعریف صحیح حالت دقیق سامانه نیاز است. آنتروپی نماینده اتفاقی بودن مولکولها است و در واقع ویژگیهای یک سامانه را تعریف میکند.
دانشمندان تا پیش از این معتقد بودند که فیزیک کوانتومی از این قانون مستثنی است. به این علت که نزدیک به ۹۰ سال پیش، ریاضیدانی به نام جان فون نویمان(John von Neumann) مجموعهای از مقالات را انتشار کرد که در آنها به زبان ریاضی نشان داد که اگر اطلاعات کاملی از حالت کوانتومی یک سیستم داشته باشیم، آنتروپی آن در طول زمان ثابت میماند.
با این حال، یک مطالعه تازه از محققان دانشگاه فناوری وین(TU Wien) این مفهوم را به چالش میکشد. این مطالعه مشخص می کند که آنتروپی یک سیستم کوانتومی بسته نیز در طول زمان، تا وقتی که به سطح اوج خود برسد، افزایش مییابد.
محققان میگویند: این بستگی به نوع آنتروپی دارد که شما به آن نگاه میکنید. اگر مفهوم آنتروپی را به طوری تعریف کنید که با ایدههای اساسی فیزیک کوانتومی سازگار باشد، دیگر هیچ تناقضی بین فیزیک کوانتومی و ترمودینامیک وجود ندارد.
سامانه کوانتومی از آنتروپی متغیری پیروی میکند
نویسندگان این مطالعه جزئیات مهمی را در توضیح نویمان برجسته کردند. نویمان اظهار داشت که آنتروپی برای یک سامانه کوانتومی وقتی که اطلاعات کاملی در رابطه سامانه داشته باشیم، تحول نمیکند.
با این حال، خود نظریه کوانتومی، به ما میگوید که داشتن دانش کامل از یک سامانه کوانتومی غیرممکن است، چون ما فقط میتوانیم ویژگیهای خاصی را با عدم قطعیت اندازهگیری کنیم. این بدان معناست که آنتروپی نویمان رویکرد صحیحی برای بازدید اتفاقی بودن و آشفتگی در سامانههای کوانتومی نیست.
به این علت راه درست چیست؟ نویسندگان این مطالعه توضیح خواهند داد که به جای محاسبه آنتروپی نویمان برای حالت کوانتومی کامل کل سامانه میتوان آنتروپی را برای یک عامل قابل مشاهده خاص محاسبه کرد.
این را میتوان با منفعت گیری از آنتروپی شانون(Shannon)، مفهومی که توسط ریاضیدانی به نام کلود شانون(Claude Shannon) در سال ۱۹۴۸ در مقاله خود با گفتن «نظریه ریاضی ارتباطات» نظر شد، به دست آورد. آنتروپی شانون عدم قطعیت در نتیجه یک اندازه گیری خاص را اندازهگیری میکند. این نظریه به ما میگوید که چه مقدار اطلاعات تازه زمان مشاهده یک سامانه کوانتومی به دست میآوریم.
فلوریان میر(Florian Meier)، نویسنده اول این مطالعه و پژوهشگر دانشگاه وین او گفت: اگر فقط یک نتیجه اندازهگیری ممکن وجود داشته باشد که با مطمعن ۱۰۰ درصدی رخ دهد، به این علت آنتروپی شانون، صفر است. شما از نتیجه شگفتزده نخواهید شد، چیزی از آن یاد نخواهید گرفت. اگر مقادیر ممکن بسیاری با احتمالات شبیه بزرگ وجود داشته باشد، آنتروپی شانون بزرگ است.
ادغام فیزیک کوانتومی با ترمودینامیک
هنگامی آنتروپی یک سامانه کوانتومی را از دیدگاه کلود شانون مجدد فکر میکنیم، با یک سامانه کوانتومی در حالت آنتروپی شانون پایین اغاز میکنیم، به این معنی که حرکت سیستم نسبتاً قابل پیشبینی است.
به گفتن مثال، فکر کنید یک الکترون دارید و تصمیم دارید اسپین(چرخش) آن را که میتواند بالا یا پایین باشد، اندازهگیری کنید. اگر میدانید که اسپین آن ۱۰۰ درصد بالا است، آنتروپی شانون صفر است و ما چیز جدیدی از این روش اندازهگیری یاد نمیگیریم.
اگر اسپین ۵۰ درصد بالا و ۵۰ درصد پایین باشد، آنتروپی شانون زیاد است، چون گمان این که هر دو نتیجه را به یک اندازه دریافت کنیم، اندازهگیری اطلاعات جدیدی به ما میدهد. هر چه زمان زیاد تر میگذرد، آنتروپی افزایش مییابد، چون هیچ زمان در رابطه نتیجه یقین نیستید.
با این حال در نهایت، آنتروپی به نقطهای میرسد که سطح آن افت مییابد، به این معنی که غیرقابل پیشبینی بودن سامانه تثبیت میشود. این منعکس کننده چیزی است که ما در ترمودینامیک کلاسیک مشاهده میکنیم، جایی که آنتروپی تا وقتی که به اعتدال برسد، افزایش مییابد و سپس ثابت میماند.
مطابق این مطالعه، این مورد آنتروپی برای سامانههای کوانتومی که ذرات بسیاری را شامل خواهد شد و نتایج بسیاری تشکیل میکنند نیز معتبر است.
مارکوس هوبر(Marcus Huber)، نویسنده ارشد این مطالعه و متخصص علوم اطلاعات کوانتومی در دانشگاه وین میگوید: این به ما مشخص می کند که قانون دوم ترمودینامیک در یک سامانه کوانتومی که کاملاً از محیط خود جداست نیز صادق است، فقط باید سؤالات درست سوال کنید و از تعریف مناسب آنتروپی منفعت گیری کنید.
این مطالعه در مجله PRX Quantum انتشار شده است.
دسته بندی مطالب
اخبار کسب وکارها