در قسمت اول «ترمودینامیک کوانتومی : ترکیب طلایی دو غول فیزیک»، درباره تولد ترمودینامیک و وابستگی آن به میزان دانش صحبت کرده و در ادامه به ارتباطات ظریف آن به مکانیک کوانتومی و نظریه اطلاعات کوانتومی اشاره کردیم، ارتباطاتی که به کمک آنها می‌توان مفهوم جذاب انتروپی را به شکل تازه‌ای تعریف کرد. در این قسمت، با پیش کشیدن مفاهیم جذاب دیگری از جمله تقارن و تکنولوژی در رابطه با این ترکیب طلایی، بحث خود را به پایان خواهیم رساند. با دیپ لوک همراه باشید…
ترمودینامیک از دیدگاه تقارن
رابطه بین اطلاعات، انرژی و دیگر کمیت‌های مشخص (که می‌توانند تغییراتی در قوانین ترمودینامیکی ایجاد نمایند، اما هرگز نابود نشوند)، موضوع پژوهشی است که توسط دو گروه مجزا از دانشمندان همزمان در مجله علمی Nature منتشر شده است. هر دو گروه، سیستم کوانتومی فرضی را تصور نمودند که از اطلاعات به عنوان یک نوع منبع تبادل برای ارتباط بین دیگر مواد استفاده می‌نماید. مخزن بزرگی از ذرات را در نظر بگیرید که همزمان دارای انرژی و اندازه حرکت زاویه‌ای (حرکت چرخشی و اسپین) هستند. این مخزن برای تحمل میزان انرژی، دارای وزن بوده و برای کنترل سرعت (افزایش یا کاهش) نیز یک صفحه مدور دارد. با توجه به کشف کارنو در مورد نیاز به منبع سرما و گرما برای انجام کار، یک مخزن تنها، قادر به انجام کاری نیست، اما دانشمندان متوجه شدند یک سیستم دارای چندین کمیت مشخص، از قوانین متفاوتی پیروی می‌کند.
در یک سیستم پیشنهادی که دارای مولفه‌ی وزن و قابلیت چرخش است، افزایش وزن منجر به کاهش سرعت چرخش (اسپین) ذرات می‌شود و یا بالعکس کاهش وزن منجر به افزایش سرعت ذرات خواهد شد. محققان دریافتند اطلاعات کوانتومی توصیف کننده ذرات (مانند انرژی و اسپین) می‌تواند به عنوان کلید مبادله کننده انرژی و اندازه حرکت زاویه‌ای برای ذرات موجود در مخزن عمل کنند. این مفهوم که مقادیر ذخیره شده‌ی سیستم‌های کوانتومی می‌توانند با یکدیگر مبادله شوند، کاملا جدید است. از این رو نیاز به یک نظریه ترمودینامیکی کامل‌تر که نه تنها جریان انرژی را توصیف کند، بلکه اثر متقابل تمام مقادیر محافظت شده در جهان را نشان دهد، ضروری به نظر می‌آید. به گفته یکی از محققان، این واقعیت که انرژی تا به حال بر ترمودینامیک غالب شده، ممکن است در شرایطی درست باشد. دانشمندان پیرو نظریه کارنو، در صدد گسترش یک نظریه ترمودینامیکی که سازگار با شارش اندازه حرکتی زاویه‌ای با نظریه‌ی موتور بخار باشد، خواهند بود.
گروهی دیگر از محققان در تلاشند با استفاده از روش‌های خاص، مکانیک کوانتومی کلاسیک را به حاشیه ببرند تا بتوانند با استفاده از قوانین و یافته‌های جدید، دیدگاه جدیدی که قادر به پاسخگویی به مسائل مکانیک کوانتومی باشد را گسترش دهند. بلوری کردن ذرات یکی از این روش‌هاست. بر اساس یافته‌های جدید، تقارن در طبیعت ممکن است باعث تمایز بین اطلاعات و سایر مقادیر حفظ شده گردد. این دانشمندان می‌گویند:
در نظر بگیرید من و شما در سیارات متفاوتی در کهکشان های دور دست زندگی می‌کنیم. حالا شما می‌خواهید سیاره ای که در آن زندگی می‌کنید را به من نشان دهید. این کار از لحاظ فیزیکی غیرممکن است، زیرا امکان نشان دادن جهت وجود ندارد!
هیچ راهی برای یافتن تک رشته‌ای خالص و بدون جهت برای یافتن کهکشان‌ها وجود ندارد، زیرا طبیعت (به عنوان یک چهارچوب مرجع) چنین شرایطی را فراهم نمی‌کند. اگر چنین اتفاقی رخ دهد، مثلا اگر فلش‌های کوچک در تمام نقاط جهان به هم چسبیده شده و جهت حرکت آن را نشان دهند، در واقع تقارن چرخشی، بخشی از تقارن جهان را نقض کرده است. زمانی که ذرات دارای حرکت چرخشی، با حرکت جهان هماهنگ شوند، می‌توانند سریعتر بچرخند و در این صورت اندازه حرکت زاویه‌ای حفظ نخواهد شد. دانشمندان در اوایل قرن ۲۰ نشان دادند هر تقارن، همراه با یک قانون حفاظتی همراه است: تقارن چرخشی جهان همواره به گونه‌ای خواهد بود که منجر به حفظ کمیتی گردد که ما آن را حرکت زاویه‌ای می‌نامیم. به عقیده دانشمندان علت عدم امکان بیان جهت فضایی برای اطلاعات می‌تواند به دلیل همین قانون حفاظتی باشد.
ظاهرا ناتوانی برای بیان همه چیز در مورد جهان از دیدگاه اطلاعات می‌تواند مربوط به جستجو برای توصیف یکی از مفاهیم بنیادی طبیعت باشد. در سال های اخیر، بسیاری از نظریه پردازان معتقدند که فضا-زمان، ساختار خمشی جهان، ماده و انرژی درون آن ممکن است هولوگرامی از یک شبکه اطلاعات کوانتومی درهم تنیده باشند. در عین حال به گفته دانشمندان باید به این نکته توجه کرد که اطلاعات رفتاری متفاوت از سایر خواص فیزیکی مانند فضا و زمان دارند. از طرفی اطلاع از پیوندهای منطقی بین مفاهیم می‌تواند به فیزیکدانان کمک کند پاسخ علمی در مورد مسائلی مانند سیاهچاله ها، بلعیده شدن اجرام کیهانی در فضا-زمان (با توجه به اطلاعات کافی در مورد دما و انتروپی آنها) و چگونگی انتشار اطلاعات توسط آنها بیابند. آنها معتقدند:
یکی از مهم ترین جنبه‌های سیاه چاله‌ها در واقع ترمودینامیک حاکم بر آنهاست، اما نوع ترمودینامیکی که در مورد سیاه چاله‌ها مورد بحث قرار می‌گیرد، به دلیل ساختار پیچیده‌ی آنها، از دیدگاه کلاسیک است. ما در حال گسترش قوانین جدیدی برای ترمودینامیک هستیم. یافتن این قوانین در حال حاضر، غیر قابل اجتناب است، اما با استفاده از این قوانین کاملا جدید، امکان بررسی سیاه چاله‌ها نیز فراهم می‌شود.
تکنولوژی و ترمودینامیک کوانتومی
به گفته‌ی یکی از صاحب نظران نظریه اطلاعات کوانتومی، هرچه ابعاد مورد مطالعه ما کوچک و کوچکتر می‌شود، وارد دنیایی می‌شویم که هیچ نظریه مناسبی در مورد آن نداریم! سوالی که اینجا پیش می‌آید این است که ما به چه چیزی برای توضیح این نواحی نیاز داریم؟ محققان از سال ۲۰۱۲ در تلاشند قوانینی در مورد انتقالات کوانتومی در ماشین‌های کوانتومی ارائه دهند تا بتوان روزی از آنها برای سرد کردن کامپیوتر‌ها، استفاده در پنلهای خورشیدی، بیو مهندسی و سایر کاربرد‌ها استفاده نمود. دیدگاه دانشمندان در مورد کارایی اطلاعات کوانتومی در حال شکوفایی است. بسیاری از دانشمندان معتقدند موتورهای کوانتومی در آینده‌ای نزدیک جای موتورهای کلاسیک را خواهند گرفت. اگرچه این موتورهای احتمالی نیز اکنون از قانون بازده کارنو در مورد میزان کار انجام شده در اثر انتقال گرما از جنس گرم به سرد استفاده می‌کنند، اما سرعت استخراج شده در این موتورها اندکی بیشتر است.
اخیرا گروهی از محققان با استفاده از نظریه اطلاعات کوانتومی، مقاله‌ای در مورد قانون سوم ترمودینامیک (قانونی که می‌گوید رسیدن به صفر مطلق غیر ممکن است) ارائه کرده‌اند. بر اساس نتایج به‌دست آمده، محدودیت سرعت سرد کردن یک جسم، ناشی از محدودیت سرعت انتقال اطلاعاتی است که از یک ذره در ابعادی محدود، خارج می‌شود. این محدودیت سرعت ممکن است در ارتباط با توانایی سرد کردن یخچالهای کوانتومی باشد. در سال ۲۰۱۵ محققان، جایگزینی برای قانون دوم ترمودینامیک در مقیاس کوانتومی ارائه دادند که باعث محدودیت‌هایی در مورد نحوه توزیع احتمالی که تعریف ذرات فیزیک را به دست می‌دهد، می‌شود. با گسترش دانش موتورهای کوانتومی و ترمودینامیک کوانتومی و نیز افزایش دانش بشری در مورد آنها، برخی از قوانین ترمودینامیک کلاسیک در برابر قوانین ترمودینامیک کوانتومی بی ارزش جلوه می‌نمایند. به باور برخی از دانشمندان، اهمیت اطلاعات توسط بسیاری از محاسبه‌گر‌های کوانتومی نادیده گرفته شده و این باعث برداشت اشتباه ما از جهان به عنوان یک ابزار فیزیکی به جای یک غول کوانتومی می‌شود. آنها می‌گویند:
موضوعات هیجان انگیزی روی میز انداخته شده که برخی از آنها دارای نارسایی‌هایی هستند که باید آنها را سامان دهیم. در حال حاضر، ما هشت تعریف از کار داریم؛ بهتر است به دنبال پیدا کردن درست‌ترین تعریف باشیم، نه به دنبال تعریف نهم!
از سویی دیگر برخی از دانشمندان با این دیدگاه که جهان فقط اطلاعات است مخالفند. یکی از آنها می‌گوید:
من برای نظریه پردازان اطلاعات که معتقدند همه چیز اطلاعات است، نگرانم. وقتی موتورهای بخار اختراع شدند و قوانین ترمودینامیکی در مورد آنها گسترش یافت، عده‌ای معتقد بودند جهان، تنها یک موتور بخار بزرگ است!
در نهایت دانشمندان معتقدند با دو کمیت بنیادی سر و کار داریم: انرژی و اطلاعات کوانتومی که تلاقی این دو کمیت با یکدیگر اجتناب ناپذیر است و منجر به گسترش یک نظریه زیبا در مورد ترمودینامیک و یا حتی ترمودینامیک کوانتومی خواهد شد.
