субота08 лютого 2025
korr.in.ua

Правила класичної фізики діють і в квантовому світі: науковці спростували 90-річну теорію.

Квантова фізика не є винятком з другого закону термодинаміки. В ній також присутні хаос і безлад, але іншого типу.
Правила классической физики действуют и в квантовом мире: ученые поставили под сомнение 90-летнюю теорию.

Згідно з другим законом термодинаміки, ентропія ізольованої системи має тенденцію до збільшення з часом. Все, що нас оточує, підпорядковується цьому закону. Наприклад, танення льоду, охолодження гарячої кави та старіння. Усі ці приклади ілюструють зростання ентропії з часом. Досі вчені вважали, що квантова фізика є винятком із цього закону. Це пояснюється тим, що близько 90 років тому математик Джон фон Нейман опублікував ряд статей, у яких він показав, що, якщо ми маємо повне розуміння квантового стану системи, її ентропія залишається сталою з часом. Проте нове дослідження, опубліковане в журналі PRX Quantum, ставить під сумнів це уявлення. Вчені вважають, що ентропія закритої квантової системи також зростає з часом, поки не досягне свого пікового рівня, пише Interesting Engineering.

За словами фізиків, якщо визначити концепцію ентропії таким чином, щоб вона була сумісна з основними ідеями квантової фізики, то більше немає жодних суперечностей між квантовою фізикою та термодинамікою.

Автори дослідження підкреслили важливу деталь в поясненні фон Неймана. Він заявив, що ентропія для квантової системи не змінюється, коли ми маємо повну інформацію про систему. Але квантова теорія стверджує, що неможливо мати повне розуміння квантової системи, оскільки ми можемо лише вимірювати її певні властивості з невизначеністю. Це означає, що ентропія фон Неймана не є вірним підходом до розгляду випадковості та хаосу в квантових системах.

Замість того, щоб обчислювати ентропію фон Неймана для повного квантового стану всієї системи, можна обчислити ентропію для конкретної спостережуваної системи, кажуть автори дослідження.

Цього можна досягти за допомогою ентропії Шеннона, концепції, запропонованої математиком Клодом Шенноном у 1948 році. Ентропія Шеннона вимірює невизначеність результату конкретного вимірювання. Вона показує, скільки нової інформації ми отримуємо під час спостереження за квантовою системою.

Якщо є лише один можливий результат вимірювання, який відбувається з 100% впевненістю, то ентропія Шеннона дорівнює нулю. Якщо існує багато можливих значень з однаково великими ймовірностями, то ентропія Шеннона велика.

Коли ми переосмислюємо ентропію квантової системи через призму Клода Шеннона, ми починаємо з квантової системи в стані низької ентропії Шеннона, що означає, що поведінка системи відносно передбачувана.

Наприклад, уявіть, що у вас є електрон, і ви вирішили виміряти його спін, який може бути спрямований вгору або вниз. Якщо ви вже знаєте, що спін на 100% спрямований вгору, то ентропія Шеннона дорівнює нулю, і ми не дізнаємося нічого нового з вимірювання.

У випадку, якщо спін на 50% спрямований вгору і на 50% спрямований вниз, то ентропія Шеннона велика, адже ми з однаковою ймовірністю отримаємо будь-який результат, і вимірювання дає нам нову інформацію. З плином часу ентропія зростає, оскільки ви ніколи не впевнені в результаті, кажуть фізики.

Врешті-решт ентропія досягає точки, в якій вона вирівнюється, що означає, що непередбачуваність системи стабілізується. Це відображає те, що ми спостерігаємо в класичній термодинаміці, де ентропія зростає, поки не досягне рівноваги, а потім залишається сталою.

За словами фізиків, цей випадок ентропії також справедливий для квантових систем, які містять багато частинок і створюють кілька результатів вимірювань.

Таким чином, кажуть вчені, другий закон термодинаміки також вірний у квантовій системі, яка повністю ізольована від свого оточення. Потрібно лише використовувати відповідне визначення ентропії.