14 دسامبر 2022 -توسط دانشگاه صنعتی وین-یکی از ذرات به عنوان دماسنج عمل می کند و کل سیستم بر روی کامپیوتر شبیه سازی می شود. اعتبار: TU Wien
یک ذره منفرد دما ندارد. انرژی یا سرعت معینی دارد، اما نمی‌توان آن را به دما ترجمه کرد. تنها زمانی که با توزیع‌های سرعت تصادفی بسیاری از ذرات سروکار داریم، دمای کاملاً مشخصی پدیدار می‌شود.
قوانین ترمودینامیک چگونه می توانند از قوانین فیزیک کوانتوم ناشی شوند؟ این موضوعی است که در سال های اخیر توجه فزاینده ای را به خود جلب کرده است. در TU Wien (وین)، این سوال اکنون با شبیه‌سازی‌های کامپیوتری دنبال شده است، که نشان می‌دهد آشوب نقش مهمی دارد: فقط در جایی که آشوب حاکم است، قوانین شناخته شده ترمودینامیک از فیزیک کوانتوم پیروی می‌کنند.
مولکول‌های هوا که به‌طور تصادفی در یک اتاق پرواز می‌کنند، می‌توانند تعداد غیرقابل تصوری از حالت‌های مختلف را به خود بگیرند: مکان‌های مختلف و سرعت‌های متفاوت برای هر ذره مجاز است. اما همه این حالت ها به یک اندازه محتمل نیستند.
پروفسور ایوا برزینووا از مؤسسه فیزیک نظری می گوید: «از نظر فیزیکی، ممکن است تمام انرژی موجود در این فضا به یک ذره منفرد منتقل شود، که سپس با سرعت بسیار بالایی حرکت می کند در حالی که سایر ذرات ساکن هستند. در TU Wien اما این بسیار بعید است که عملا هرگز مشاهده نشود.»
بر اساس فرمولی که فیزیکدان اتریشی لودویگ بولتزمن بر اساس قوانین فیزیک کلاسیک تنظیم کرد، می توان احتمالات حالت های مجاز مختلف را محاسبه کرد. و از این توزیع احتمال، دما را نیز می توان خواند: فقط برای تعداد زیادی از ذرات تعیین می شود.
کل جهان به عنوان یک حالت کوانتومی واحد
با این حال، این باعث ایجاد مشکلاتی در هنگام برخورد با فیزیک کوانتومی می شود. وقتی تعداد زیادی ذرات کوانتومی به طور همزمان در حال بازی هستند، معادلات نظریه کوانتومی آنقدر پیچیده می‌شود که حتی بهترین ابررایانه‌های جهان هم شانسی برای حل آنها ندارند.
در فیزیک کوانتومی، مانند توپ های کلاسیک بیلیارد، نمی توان تک تک ذرات را مستقل از یکدیگر در نظر گرفت. هر توپ بیلیارد مسیر منحصر به فرد خود و مکان منحصر به فرد خود را در هر نقطه از زمان دارد. از سوی دیگر، ذرات کوانتومی هیچ فردیتی ندارند – آنها را فقط می توان با هم، در یک تابع موج کوانتومی بزرگ توصیف کرد.پروفسور یواخیم بورگدورفر (TU Wien) می گوید: «در فیزیک کوانتومی، کل سیستم با یک حالت کوانتومی چند ذره ای بزرگ توصیف می شود. “اینکه چگونه یک توزیع تصادفی و در نتیجه دما باید از این به وجود بیاید، برای مدت طولانی یک معما باقی ماند.”
نظریه آشوب به عنوان یک واسطه
تیمی در TU Wien اکنون توانسته است نشان دهد که آشوب نقش کلیدی دارد. برای انجام این کار، تیم شبیه‌سازی رایانه‌ای از یک سیستم کوانتومی انجام داد که از تعداد زیادی ذره تشکیل شده است – بسیاری از ذرات غیرقابل تشخیص (“حمام گرمایی”) و یکی از انواع مختلف ذرات، “ذره نمونه” که به عنوان عمل می‌کند.
هر تابع موج کوانتومی منفرد از سیستم بزرگ دارای انرژی خاصی است، اما دمای مشخصی ندارد – درست مانند یک ذره کلاسیک. اما اگر اکنون ذره نمونه را از حالت تک کوانتومی انتخاب کنید و سرعت آن را اندازه گیری کنید، به طور شگفت انگیزی می توانید توزیع سرعتی را پیدا کنید که مطابق با دمایی باشد که با قوانین به خوبی تثبیت شده ترمودینامیک مطابقت دارد.
ایوا برزینووا می‌گوید: «مناسب بودن یا نبودن آن به آشوب بستگی دارد – این همان چیزی است که محاسبات ما به وضوح نشان داد. ما می‌توانیم به‌طور خاص برهمکنش‌های بین ذرات روی رایانه را تغییر دهیم و در نتیجه یا یک سیستم کاملاً آشفته ایجاد کنیم، یا سیستمی که اصلاً هرج و مرج را نشان نمی‌دهد – یا هر چیزی در این بین.» و با انجام این کار، متوجه می‌شویم که وجود آشوب تعیین می‌کند که آیا یک حالت کوانتومی ذره نمونه، توزیع دمای بولتزمن را نشان می‌دهد یا خیر.
یواخیم بورگدورفر توضیح می دهد که با قدرت آشوب بدون هیچ گونه فرضی در مورد توزیع های تصادفی یا قوانین ترمودینامیکی، رفتار ترمودینامیکی به خودی خود از تئوری کوانتومی ناشی می شود – اگر سیستم ترکیبی ذرات نمونه و حمام گرمایی به طور کوانتومی رفتار کند. و اینکه چقدر این رفتار با فرمول های شناخته شده بولتزمن مطابقت دارد مشخص می شود.
این یکی از اولین مواردی است که در آن تأثیر متقابل بین سه نظریه مهم توسط شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای با ذره‌های متعدد نشان داده شده است: نظریه کوانتومی، ترمودینامیک و نظریه آشوب.
این تحقیق در مجله Entropy منتشر شده است.
