قوانین آنتروپی در دنیای کوانتومی هم برقرارند
طبق قانون دوم ترمودینامیک، آنتروپی یک سیستم ایزوله با گذشت زمان افزایش می‌یابد. پدیده‌های فراوانی در محیط ما از این قانون تبعیت می‌کنند؛ ذوب یخ، بی‌نظمی اتاق، سرد شدن قهوه داغ و پیری، همگی نمونه‌هایی از افزایش آنتروپی در طول زمان هستند.
آنتروپی مفهومی علمی و یک ویژگی فیزیکی است که با بی‌نظمی، تصادفی بودن و عدم قطعیت گره خورده است. به بیان ساده، آنتروپی یک سامانه فیزیکی، کمترین تعداد ذراتی است که برای توصیف دقیق حالت سامانه لازم می‌باشند. این величина نماینده تصادفی بودن مولکول‌ها بوده و ویژگی‌های یک سامانه را تعریف می‌کند.
🔗 بیشتر بخوانید: معماری نهادی فضای مجازی باید بر پایه قانونمداری و هماهنگی بنا شود
دانشمندان تا پیش از این گمان می‌کردند فیزیک کوانتومی از این قانون مستثنی است. ریشه این باور به نزدیک به نود سال پیش برمی‌گردد، وقتی جان فون نویمان در مجموعه‌ای از مقالات به زبان ریاضی اثبات کرد که اگر اطلاعات کامل از حالت کوانتومی یک سیستم در دسترس باشد، آنتروپی آن در طول زمان ثابت می‌ماند.
با این حال، یک تحقیق جدید از محققان دانشگاه فناوری وین (TU Wien) این دیدگاه را به چالش کشیده است. این مطالعه نشان می‌دهد که آنتروپی یک سیستم کوانتومی بسته نیز با گذشت زمان تا رسیدن به سطح اوج خود افزایش می‌یابد.
🔗 بیشتر بخوانید: راز خوفناک صدها جمجمه خرد شده در دریاچه اسکلت/ عکس
محققان بیان می‌کنند: این موضوع بستگی به نوع تعریف آنتروپی دارد. اگر مفهوم آنتروپی طوری تعریف شود که با ایده‌های بنیادین فیزیک کوانتومی سازگار باشد، دیگر هیچ تضادی میان فیزیک کوانتومی و ترمودینامیک وجود نخواهد داشت.
سامانه کوانتومی از آنتروپی متغیری پیروی می‌کند
نویسندگان این مطالعه نکته مهمی را در توضیح نظریه نویمان برجسته کرده‌اند. نویمان اظهار داشت که آنتروپی برای یک سامانه کوانتومی، در صورتی که اطلاعات کامل درباره سامانه در دست باشد، دگرگون نمی‌شود.
🔗 بیشتر بخوانید: از اینشتین تا کامپیوترهای کوانتومی؛ رخدادهای کلیدی نظریه کوانتومی
با این حال، خود نظریه کوانتومی می‌گوید داشتن دانش کامل از یک سامانه کوانتومی غیرممکن است، زیرا تنها می‌توانیم ویژگی‌های خاصی را با عدم قطعیت اندازه‌گیری کنیم. این بدان معناست که آنتروپی نویمان رویکرد صحیحی برای بررسی تصادفی بودن و بی‌نظمی در سامانه‌های کوانتومی نیست.
پس راه حل چیست؟ نویسندگان توضیح می‌دهند که به جای محاسبه آنتروپی نویمان برای حالت کوانتومی کامل کل سامانه، می‌توان آنتروپی را برای یک پدیده قابل مشاهده خاص محاسبه کرد.
این کار با بهره‌گیری از آنتروپی شانون، مفهومی که کلود شانون در سال ۱۹۴۸ در مقاله «نظریه ریاضی ارتباطات» مطرح کرد، امکان‌پذیر است. آنتروپی شانون عدم قطعیت در نتیجه یک اندازه‌گیری خاص را سنجیده و می‌گوید که با مشاهده یک سامانه کوانتومی چقدر اطلاعات جدید به دست می‌آوریم.
فلوریان میر، نویسنده اول این مطالعه و پژوهشگر دانشگاه وین، می‌گوید: اگر تنها یک نتیجه اندازه‌گیری ممکن وجود داشته باشد که با قطعیت صددرصدی رخ دهد، آنتروپی شانون صفر است. شما از نتیجه شگفت‌زده نخواهید شد و چیزی جدید نخواهید آموخت. اگر مقادیر ممکن بسیاری با احتمالات مشابه وجود داشته باشند، آنتروپی شانون بزرگ خواهد بود.
ادغام فیزیک کوانتومی با ترمودینامیک
وقتی آنتروپی یک سامانه کوانتومی را از منظر کلود شانون بازتعریف می‌کنیم، با سیستمی روبرو می‌شویم که در حالت آنتروپی شانون پایین آغاز به کار می‌کند، به این معنی که رفتار سیستم نسبتاً قابل پیش‌بینی است.
به عنوان مثال، تصور کنید یک الکترون دارید و قصد اندازه‌گیری اسپین (چرخش) آن را دارید که می‌تواند بالا یا پایین باشد. اگر بدانید اسپین آن صددرصد بالا است، آنتروپی شانون صفر است و این اندازه‌گیری اطلاعات تازه‌ای به شما نمی‌دهد.
اگر اسپین با احتمال پنجاهدرصد بالا و پنجاهدرصد پایین باشد، آنتروپی شانون بالا می‌رود، زیرا عدم قطعیت در اینکه کدام نتیجه حاصل شود، اندازه‌گیری را حاوی اطلاعات جدید می‌سازد. هرچه زمان بیشتر بگذرد، آنتروپی افزایش می‌یابد، چون هیچ‌گاه از نتیجه یقین نیستید.
با این حال در نهایت، آنتروپی به نقطه‌ای می‌رسد که سطح آن ثابت می‌شود، به این معنی که ناپیش‌بینی‌پذیری سامانه تثبیت می‌یابد. این پدیده بازتابی از آن است که در ترمودینامیک کلاسیک مشاهده می‌کنیم، جایی که آنتروپی تا رسیدن به تعادل افزایش یافته و سپس ثابت می‌ماند.
بر اساس این مطالعه، این حکم برای سامانه‌های کوانتومی که ذرات زیادی را در بر می‌گیرند و نتایج متنوعی تولید می‌کنند نیز صادق است.
مارکوس هوبر، نویسنده ارشد این مطالعه و متخصص علوم اطلاعات کوانتومی در دانشگاه وین، بیان می‌کند: این امر نشان می‌دهد که قانون دوم ترمودینامیک در یک سامانه کوانتومی که کاملاً از محیط خود جدا شده است نیز برقرار است، تنها باید سوالات صحیح را بپرسید و از تعریف مناسب آنتروپی بهره ببرید.
این تحقیق در مجله PRX Quantum منتشر شده است.