چگونه قانون دوم ترمودینامیک در دنیای کوانتوم برقرار میماند, قانون دوم ترمودینامیک یکی از اصول پایه فیزیک است که بر این استدلال است که آنتروپی در سیستمهای منفصل یا ایزée با گذشت زمان همواره افزایش مییابد. این اصل در واضح است؛ از ذوب یخ تا سرد شدن نوشیدنیهای گرم و حتی فرآیند پیر شدن مواد، تمام آنها نشاندهندهٔ افزایش بیترتیبی در نظام هستند.
اما در مقیاس کوانتومی، این قانون به نظر میرسید شده است.اً نود سال پیش، جان فون نویمان با استفاده از توضیحات ریاضی نشان داد که اگر دانش کامل از وضعیت کوانتومی یک سیستم در دسترس باشد، آنتروپی آن با زمان میماند. این یافته به ß که شاید قوانین ترمودینامیک در dé کوانتومی اعمال نشوند. اما تحقیقات اخیر انجامشده توسط محققان دانشگاه فناوری وین (TU وین) این تصور را چالش زده است.
فريقی تحت رهبری فلورین مير و مارکوس هوبر نشان دادهاند که حتی در سیستمهای کوانتومی تماماً ایزوله، آنتروپی تا رسیدن به تعادل افزایش مییابد؛ فقط نحوهٔ تعریف و قياس آنتروپی باید بازنگری شود. مشکل اصلی در استفاده از آنتروپی فون نویمان؛ این بر اساس اطلاعات کامل سیستم محاسبه میشود، در حالی که مکانیک کوانتومی به دلیل اصل عدم قطعیت، اجازه دسترسی به اطلاعات کامل را نمیدهد.
ما تنها میتوانیم برخی خواص را با عدم قطعیت قابلانجاه اندازهگیری کنیم. برای رفع این ón، محققان پیشنهادی دارند استفاده از آنتروپی شانون به جای آنتروپی فون نویمان. آنتروپی ش في نتيجة یک خاص را حساب میکند. اگر d یک با قطعیت ۱۰۰ درصد پیشبینیپذیر باشد، آنتروپی شانون صفر میشود و اطلاعات جدیدی بهدست نمیآید. اما اگر نتایج مختلفی با احتمالات مشابه وجود داشته باشند، آنتروپی شانون بالا رفته و اطلاعات جدید را نشان میدهد.
در این الگو، سامانه کوانتومی در ابتدا با آنتروپی پایین آغاز میشود؛ یعنی وضعیت آن قابل پیشبینی است. با گذشت زمان و تکرار ها، عدم قطعیت زاید میشود و آنتروپی شانون رو به افزایش میرود. این روند تا ی میشود، پس در آن سطح ثابت میماند؛ دقیقاً به رفتار سیستمهای کلاسیک تحت قانون دوم ترمودینامیک.
مارکوس هوبر، نویسنده ارشد، ä قانون دوم ترمودینامیک حتی در حوزهٔ کوانتوم نیز حکمبرده است؛ شرط آن استفاده از تعریف دقیق آنتروپی (ش) و پرسیدن سؤالهای درست است. این پژوهش که در مجلة PRX انتشار یافته، قدم مهمی در برداشته است.
