Apakah ada kontradiksi antara teori kuantum dan termodinamika? Di permukaan, ya – tetapi di Tu Wien, para peneliti sekarang telah menunjukkan bagaimana keduanya cocok bersama.
Ini adalah salah satu hukum alam yang paling penting yang kita ketahui: Hukum Termodinamika Kedua yang terkenal mengatakan bahwa dunia semakin banyak gangguan, ketika peluang acak sedang dimainkan. Atau, untuk membuatnya lebih tepat: entropi itu harus meningkat di setiap sistem tertutup. Struktur yang dipesan kehilangan pesanan mereka, kristal es biasa berubah menjadi air, vas porselen dipecah menjadi pecahan. Namun, pada pandangan pertama, fisika kuantum tampaknya tidak benar -benar mematuhi aturan ini: secara matematis, entropi dalam sistem kuantum selalu tetap sama.
Sebuah tim peneliti di Tu Wien kini telah melihat lebih dekat pada kontradiksi yang jelas ini dan telah dapat menunjukkan: itu tergantung pada jenis entropi yang Anda lihat. Jika Anda mendefinisikan konsep entropi dengan cara yang kompatibel dengan ide -ide dasar fisika kuantum, maka tidak ada lagi kontradiksi antara fisika kuantum dan termodinamika. Entropi juga meningkat dalam sistem kuantum yang dipesan pada awalnya sampai mencapai keadaan gangguan akhir.
Entropi dan arah waktu
Menyamakan 'entropi' dengan 'gangguan' tidak sepenuhnya benar. Lagi pula, apa yang Anda pahami dengan 'gangguan' mungkin subyektif, tetapi entropi dapat didefinisikan dengan jelas dengan persamaan matematika.
“Entropi adalah ukuran apakah suatu sistem dalam keadaan khusus, sangat khusus, dalam hal ini sistem memiliki entropi rendah, atau apakah itu di salah satu dari banyak negara yang terlihat kurang lebih sama, dalam hal ini memiliki tinggi entropi, “jelas Prof Marcus Huber dari Institute for Atomic and Subatomic Physics di Tu Wien. Jika Anda mulai dengan keadaan yang sangat spesifik, misalnya sebuah kotak penuh bola yang diurutkan persis berdasarkan warna, maka jika Anda sedikit mengocok kotak, keadaan campuran entropi yang lebih tinggi akan berkembang dari waktu ke waktu. Ini hanya karena fakta bahwa hanya ada beberapa negara yang tertib, tetapi banyak yang juga tidak teratur.
“Dari sudut pandang fisik, inilah yang mendefinisikan arah waktu,” kata Max Lock (Tu Wien). “Di masa lalu, entropi lebih rendah; masa depan adalah tempat entropi lebih tinggi.” Namun, fisika kuantum menghadapi masalah di sini: ahli matematika dan fisikawan John von Neumann dapat menunjukkan: menurut hukum fisika kuantum, entropi dalam sistem kuantum tidak dapat berubah sama sekali. Jika Anda memiliki informasi lengkap tentang sistem kuantum, yang disebut 'entropi von Neumann' selalu tetap sama; Tidak mungkin untuk mengatakan apakah waktu berjalan ke depan atau ke belakang, setiap titik waktu secara fisik sama baiknya dengan yang lain.
Kami hanya pernah tahu bagian dari informasi
“Tapi pandangan ini meninggalkan sesuatu yang penting,” kata Tom Rivlin (Tu Wina). “Dalam fisika kuantum Anda tidak pernah benar -benar dapat memiliki informasi lengkap tentang suatu sistem. Kami dapat memilih properti dari sistem yang ingin kami ukur – yang disebut dapat diamati. Ini dapat, misalnya, lokasi partikel atau kecepatannya Teori kuantum kemudian memberi tahu kita probabilitas untuk mendapatkan hasil pengukuran yang berbeda.
Bahkan jika kita mengetahui probabilitasnya, hasil aktual dari pengukuran spesifik tetap mengejutkan. Elemen kejutan ini harus dimasukkan dalam definisi entropi. Alih -alih menghitung entropi von Neumann untuk keadaan kuantum lengkap dari seluruh sistem, Anda dapat menghitung entropi untuk yang dapat diamati secara spesifik. Yang pertama tidak akan berubah seiring waktu, tetapi yang terakhir mungkin.
Jenis entropi ini disebut 'Shannon Entropy'. Itu tergantung pada probabilitas yang diukur nilai -nilai yang berbeda. “Anda bisa mengatakan bahwa entropi Shannon adalah ukuran dari berapa banyak informasi yang Anda peroleh dari pengukuran,” kata Florian Meier (Tu Wien). “Jika hanya ada satu hasil pengukuran yang mungkin terjadi dengan kepastian 100%, maka entropi Shannon adalah nol. Anda tidak akan terkejut dengan hasilnya, Anda tidak akan belajar apa pun darinya. Jika ada banyak nilai yang mungkin dengan yang sama Probabilitas besar, maka entropi Shannon besar. “
Gangguan kuantum meningkat
Tim peneliti sekarang telah dapat menunjukkan bahwa jika Anda mulai dengan keadaan entropi rendah Shannon, maka jenis entropi ini meningkat dalam sistem kuantum tertutup hingga level di sekitar nilai maksimum – persis seperti yang diketahui dari termodinamika dalam sistem klasik . Semakin banyak waktu berlalu, semakin tidak jelas hasil pengukuran dan semakin besar kejutan yang dapat dialami saat mengamati. Ini sekarang telah terbukti secara matematis dan juga dikonfirmasi oleh simulasi komputer yang menggambarkan perilaku beberapa partikel yang berinteraksi.
“Ini menunjukkan kepada kita bahwa hukum termodinamika kedua juga benar dalam sistem kuantum yang sepenuhnya terisolasi dari lingkungannya. Anda hanya perlu mengajukan pertanyaan yang tepat dan menggunakan definisi entropi yang sesuai,” kata Marcus Huber.
Jika Anda menyelidiki sistem kuantum yang terdiri dari sangat sedikit partikel (misalnya, atom hidrogen dengan hanya beberapa elektron), maka pertimbangan tersebut tidak relevan. Tetapi hari ini, terutama yang berkaitan dengan aplikasi teknis modern dari fisika kuantum, kita sering dihadapkan dengan tantangan menggambarkan sistem kuantum yang terdiri dari banyak partikel. “Untuk menggambarkan sistem banyak partikel seperti itu, penting untuk mendamaikan teori kuantum dengan termodinamika,” kata Marcus Huber. “Itu sebabnya kami juga ingin menggunakan penelitian dasar kami untuk meletakkan dasar bagi teknologi kuantum baru.”
Publikasi asli
F. Meier et al., Munculnya hukum kedua termodinamika dalam sistem kuantum yang terisolasi, PRX Quantum 6, 010309 (2025). https://doi.org/10.1103/prxquantum.6.010309
