قوانین آنتروپی در دنیای کوانتومی هم کار می کنند

ککمیاب آنلاین: نتایج یک پژوهش جدید نشان میدهد که قوانین آنتروپی در دنیای کوانتومی نیز کار می کنند. در حقیقت فیزیک کوانتومی نیز از قانون دوم ترمودینامیک مستثنی نیست. همین طور دارای هرج و مرج و بی نظمی، اما از نوعی دیگر است.

به گزارش کمیاب آنلاین به نقل از ایسنا، طبق قانون دوم ترمودینامیک، آنتروپی یک سیستم ایزوله به مرور زمان افزایش خواهد یافت. همه چیز در اطراف ما از این قانون پیروی می کند. بعنوان مثال، ذوب شدن یخ، ‌پریشانی اتاق، سرد شدن قهوه داغ و پیری، همه نمونه هایی از افزایش آنتروپی با گذشت زمان هستند.
آنتروپی (entropy) مفهومی علمی و همین طور یک خاصیت فیزیکی غیر قابل اندازه گیری است که در عادی ترین حالت با حالت اختلال، تصادفی بودن و عدم قطعیت مرتبط می باشد. به عبارتی، آنتروپیِ یک سامانه فیزیکی، کمترین تعداد ذراتی است که برای تعریف صحیح حالت دقیق سامانه نیاز است. آنتروپی نماینده تصادفی بودن مولکول ها است و در حقیقت خاصیت های یک سامانه را تعریف می کند.
دانشمندان تا پیش از این معتقد بودند که فیزیک کوانتومی از این قانون مستثنی است. به این علت که حدود ۹۰ سال پیش، ریاضیدانی به نام جان فون نویمان(John von Neumann) مجموعه ای از مقالات را منتشر نمود که در آنها به زبان ریاضی نشان داد که اگر اطلاعات کاملی از وضعیت کوانتومی یک سیستم داشته باشیم، آنتروپی آن با گذشت زمان ثابت می ماند.
با این وجود، یک مطالعه جدید از پژوهشگران دانشگاه فناوری وین(TU Wien) این مفهوم را به چالش می کشد. این مطالعه نشان داده است که آنتروپی یک سیستم کوانتومی بسته نیز در طول زمان، تا وقتی که به سطح اوج خود برسد، افزایش خواهد یافت.
پژوهشگران می گویند: این بستگی به نوع آنتروپی دارد که شما به آن نگاه می کنید. اگر مفهوم آنتروپی را بگونه ای تعریف کنید که با ایده های اساسی فیزیک کوانتومی سازگار باشد، دیگر هیچ تناقضی بین فیزیک کوانتومی و ترمودینامیک وجود ندارد.
سامانه کوانتومی از آنتروپی متفاوتی پیروی می کند
نویسندگان این مطالعه جزییات مهمی را در توضیح نویمان برجسته کردند. نویمان تصریح کرد که آنتروپی برای یک سامانه کوانتومی زمانیکه اطلاعات کاملی در مورد سامانه داشته باشیم، تغییر نمی کند.
با این وجود، خود نظریه کوانتومی، به ما می گوید که داشتن دانش کامل از یک سامانه کوانتومی نا ممکن است، برای اینکه ما فقط می توانیم خاصیت های خاصی را با عدم قطعیت اندازه گیری نماییم. این بدان معناست که آنتروپی نویمان رویکرد صحیحی جهت بررسی تصادفی بودن و ‌پریشانی در سامانه های کوانتومی نیست.
ازاین رو راه درست چیست؟ نویسندگان این مطالعه توضیح می دهند که بجای محاسبه آنتروپی نویمان برای حالت کوانتومی کامل کل سامانه میتوان آنتروپی را برای یک عامل قابل مشاهده خاص محاسبه کرد.
این را میتوان با استفاده از آنتروپی شانون(Shannon)، مفهومی که توسط ریاضیدانی به نام کلود شانون(Claude Shannon) در سال ۱۹۴۸ در مقاله خود با عنوان «نظریه ریاضی ارتباطات» پیشنهاد شد، به دست آورد. آنتروپی شانون عدم قطعیت در نتیجه یک اندازه گیری خاص را اندازه گیری می کند. این نظریه به ما می گوید که چه مقدار اطلاعات جدید هنگام مشاهده یک سامانه کوانتومی به دست می آوریم.
فلوریان میر(Florian Meier)، نویسنده اول این مطالعه و پژوهشگر دانشگاه وین اظهار داشت: اگر فقط یک نتیجه اندازه گیری ممکن وجود داشته باشد که با اطمینان ۱۰۰ درصدی رخ دهد، ازاین رو آنتروپی شانون، صفر است. شما از نتیجه شگفت زده نخواهید شد، چیزی از آن یاد نخواهید گرفت. اگر مقادیر ممکن زیادی با احتمالات مشابه بزرگ وجود داشته باشد، آنتروپی شانون بزرگ است.
ادغام فیزیک کوانتومی با ترمودینامیک
وقتی آنتروپی یک سامانه کوانتومی را از دیدگاه کلود شانون باردیگر تصور می نماییم، با یک سامانه کوانتومی در حالت آنتروپی شانون پایین شروع می نماییم، به این مفهوم که رفتار سیستم نسبتاً قابل پیشبینی است.
بعنوان مثال، تصور کنید یک الکترون دارید و تصمیم دارید اسپین(چرخش) آنرا که می تواند بالا یا پایین باشد، اندازه گیری کنید. اگر می دانید که اسپین آن ۱۰۰ درصد بالا است، آنتروپی شانون صفر است و ما چیز جدیدی از این تکنیک اندازه گیری یاد نمی گیریم.
اگر اسپین ۵۰ درصد بالا و ۵۰ درصد پایین باشد، آنتروپی شانون زیاد است، برای اینکه احتمال این که هر دو نتیجه را به یک اندازه دریافت نماییم، اندازه گیری اطلاعات جدیدی به ما می دهد. هر چه زمان بیشتر می گذرد، آنتروپی افزایش خواهد یافت، برای اینکه هیچ گاه در مورد نتیجه مطمئن نیستید.
با این وجود در نهایت، آنتروپی به نقطه ای می رسد که سطح آن کاسته می شود، به این مفهوم که غیرقابل پیشبینی بودن سامانه تثبیت می شود. این منعکس کننده چیزی است که ما در ترمودینامیک کلاسیک مشاهده می نماییم، جایی که آنتروپی تا وقتی که به تعادل برسد، افزایش خواهد یافت و سپس ثابت می ماند.
طبق این مطالعه، این مورد آنتروپی برای سامانه های کوانتومی که ذرات زیادی را شامل می شوند و نتایج مختلفی تولید می کنند نیز معتبر است.
مارکوس هوبر(Marcus Huber)، نویسنده ارشد این مطالعه و متخصص علوم اطلاعات کوانتومی در دانشگاه وین می گوید: این به ما نشان داده است که قانون دوم ترمودینامیک در یک سامانه کوانتومی که بطورکامل از محیط خود جداست نیز صادق است، فقط باید سؤالات درست بپرسید و از تعریف مناسب آنتروپی استفاده کنید.
این مطالعه در مجله PRX Quantum انتشار یافته است.



منبع: كمیاب آنلاین

آخرین مطالب مرتبط