آزمایش انتروپی تایید کرد در سطح کوانتومی، زمان به صورت نامتقارن به عقب بازمی گردد!

2

فیزیکدانان، برای اولین بار، آزمایشی را انجام داده اند که تایید می کند فرآیندهای ترمودینامیکی در یک سیستم کوانتومی، برگشت ناپذیر بوده و از نظر زمانی نامتقارن اند. با دیپ لوک همراه باشید…انتروپی (Entropy) یکی از مفاهیم جالب و البته پیچیده ی ترمودینامیکی است که بسیاری به اشتباه، آن را بی نظمی سیستم توصیف می کنند، در حالیکه به نظرم بهتر است آن را نحوه ی توزیع انرژی توصیف کنیم. یک مجموعه را با چند سیستم درون آن در نظر بگیرید. هر چه توزیع انرژی بین سیستم های این مجموعه، عادلانه تر و مساوی تر باشد، انتروپی بیشتر است، اما اگر انرژی کل مجموعه در یک سیستم متمرکز شده  باشد، انتروپی مجموعه، بسیار اندک است. اما تغییر انتروپی (توجه کنید تغییر انتروپی نه خود انتروپی) همیشه با پیشرفت زمان، زیاد می شود. طبیعت همیشه تمایل دارد به سمت انتروپی بیشتر و یا بهتر است بگویم به سمت توزیع عادلانه تری از انرژی حرکت کند. بنابراین با پیشرفت زمان شما همیشه شاهد افزایش انتروپی خواهید بود، به همین دلیل است که این کمیت اسرارآمیز به عنوان پیکان زمان شناخته می شود. اگر جایی که کاهش انتروپی مشاهده کردید، شک نکنید که دارید در زمان به عقب بازمی گردید!

از طرفی فرآیندی که در آن، سیستم به حالت اولیه اش باز می گردد، برگشت پذیر و فرآیندی که سیستم به حالتی غیر از حالت اولیه اش می رود، برگشت ناپذیر نام دارد. جمعی از فیزیکدانان، برگشت ناپذیری ترمودینامیکی را به طور تجربی در مقیاس کوانتومی ثابت کردند. نتیجه ی کار آنها در ژورنال Physical Review Letters منتشرشد.

شاید به نظر بسیاری از افراد، برگشت ناپذیری در سطح کوانتومی، یک پدیده ی بسیار پیش پا افتاده به نظر برسد. چرا که همه ی ما براساس تجربیات دنیای ماکروسکوپی خود، انتظار داریم همه ی فرآیندها برگشت ناپذیر باشند. مثلا وقتی یک تخم مرغ را می شکنید، انتظار ندارید پوستهای شکسته شده ی تخم مرغ به یکدیگر چسبیده و تخم مرغ به حالت اول خود درآید. در واقع چنین صحنه هایی را بیشتر در فلاش بک فیلم ها دیده ایم. اما یک فیزیکدانان کوانتومی، انتظار دیگری از دنیای کوانتومی دارد، زیرا قوانین زیربنایی دنیای میکروسکوپیک مانند معادله ی شرودینگر، از نظر زمانی متقارن یا به عبارتی برگشت پذیر هستند. این معادلات می گویند شما نمی توانیدفرآیندهای میکروسکوپی گذشته و آینده را از یکدیگر تشخیص دهید. حالا این پژوهش جدید نشان می دهد که قوانین برگشت پذیری با انتظار فیزیکدانان از دنیای کوانتومی، سازگار نیستند.

آزمایشی در سطح کوانتومی

مشاهده ی فرآیندهای ترمودینامیکی در یک سیستم کوانتومی، بسیار دشوار است. در این آزمایش جدید، دانشمندان تغییر انتروپی را زمانیکه یک میدان مغناطیسی ارتعاشی به اتم کربن ۱۳ در کلروفرم مایع اعمال شد، اندازه گیری کردند. آنها ابتدا یک پالس میدان مغناطیسی را که موجب آشفتگی اسپین هسته ای اتم ها می شود اعمال کرده و سپس پالسی را در جهت برعکس ارسال کردند. پالس دوم در واقع اسپین ها را تحت دینامیک معکوس قرار داد.

برگشت ناپذیری ترمودینامیک کوانتومی - انتروپی

اگر فرآیند برگشت پذیر می بود، اسپین ها باید به نقطه ی ابتدایی خود بازمی گشتند، اما این اتفاق نیفتاد! پالس های مغناطیسی رفت و برگشت بسیار سریع اعمال شدند، بنابراین اسپین ها از حالت تعادل خارج شدند. اندازه گیری اسپین ها نشان داد که انتروپی در این سیستم ایزوله، افزایش می یافت و این فرآیند ترمودینامیکی کوانتومی، برگشت ناپذیر بود. حال یک سوال به ذهن می رسد: اگر قوانین فیزیک کوانتومی، واقعاً برگشت پذیر هستند، پس چه دلیلی باعث می شود تا ما چنین فرآیندهای برگشت ناپذیری را مشاهده کنیم؟ فیزیکدانان پاسخ را اینطور توضیح می دهند:همه چیز در گروی انتخاب شرایط اولیه است. قوانین میکروسکوپیک یا همان معادلاتی که از نظر زمانی متقارن هستند یا به عبارتی برگشت پذیر هستند فقط در صورت شرایط اولیه ی تعادلی برقرار هستند. محققان  معتقدند فراهم کردن چنین حالت اولیه ی ایده آلی در یک سیستم فیزیکی، فوق العاده پیچیده است و حالت های اولیه ی تمام فرآیندهای مشاهده شده، در تعادل واقعی نیستند و دقیقاً به همین دلیل است که  ما چنین فرآیندهای برگشت ناپذیری رادر مقیاس کوانتومی مشاهده می کنیم.

هر چه در مورد فرآیندهای ترمودینامیکی در مقیاس کوانتومی، بیشتر بدانیم، بهتر می توانیم آنها را مدیریت کنیم و در نهایت می توانیم از آنها را برای ساخت تکنولوژی های پیشرفته استفاده کنیم.  محققان امیدوارند با درک تازه ای از ترمودینامیک کوانتومی بتوانند به تکنولوژی های کوانتومی کارآمد در آینده دست پیدا کنند.

دانلود مقاله ی اصلی به صورت PDF

زاده ی اردیبهشت ۶۹ و دانشجوی دکترای شیمی کوانتوم محاسباتی در دانشگاه شهید بهشتی است.او علاقمند به دنیای کوانتوم، تکنولوژی، فوتبال و موسیقی (رپ/راک) بوده و علاوه بر سردبیری دیپ لوک، به طراحی وب و نویسندگی در گجت نیوز، بیگ تم و ماهنامه GB جی اس ام مشغول است.

گفتگو۲ دیدگاه

  1. سلام…ببخشید یه سوالی داشتم… من همون دانش آموز سال دوم هستم…می خواستم بدونم که شما به روح حتما اعتقاد دارید؟؟؟سوالم اینه روح ما می تونه به سیاه چاله وارد بشه و از کرم چاله عبور کنه؟؟؟؟یعنی چطوری بگم …چون به معاد ماها اعتقاد داریم و بعد از مرگ هم روح ما آزاد می شه و خدا هم میگه وارد یه دنیایه دیگه می شیم…پس ممکنه روح ما بتونه عبور کنه؟

    • ناهید سادات ریاحی

      دوست عزیز، بهتره مفاهیم مذهبی رو خیلی با این مفاهیم قاطی نکنین، چون مقایسه ی اونها کار ساده و شاید درستی نیست. البته شما در تفسیر دنیای خودتون آزاید. در واقع هر انسانی مختاره دنیای خودش رو هر طوری که میخواد تعبیر کنه

ارسال نظر


*