رسوخ ترمودینامیک تصادفی به عمیق‌ترین لایه‌های قلمروی کوانتوم!

آشتی دادن نظریات فیزیکی که در مقیاس‌های متفاوتی عمل می‌کنند، به یکی از حوزه‌های پژوهشی جذاب و مهم در فیزیک بدل شده است. در دیپ لوک بارها از گسترش قوانین مکانیک کوانتومی به مقیاس‌های بسیار بزرگتر، صحبت کرده‌ایم، اما این بار، با پژوهشی مواجهیم که پای قوانین دنیای ماکرو را به دنیای کوانتومی، باز کرده است. این بار فیزیکدانان یکی از قضایای مهم افت‌وخیز ترمودینامیک تصادفی کلاسیکی را به بنیادی‌ترین نظریه حال حاضر فیزیک، یعنی نظریه‌ی میدان کوانتومی گسترش داده‌اند. نتیجه‌ی این پژوهش جالب فیزیکدانان دانشگاه مریلند در مجله‌ بسیار معتبر Physical Review X پذیرفته شده و در نسخه‌ی آینده‌ی آن، منتشر خواهد شد. با دیپ لوک همراه باشید…

پژوهش جاضر، یکی از بزرگترین چالش‌ها در فیزیک بنیادی، یعنی چگونگی گسترش قوانین ترمودینامیک کلاسیکی به مقیاس کوانتومی را مورد بررسی قرار می‌دهد. درک جریان کار و گرما در مقیاس ذرات زیراتمی، در حوزه‌های وسیعی، از طراحی مواد در مقیاس نانو تا درک تحول جهان اولیه اهمیت دارد. برخلاف جهش‌های بزرگی که در نظریه‌های میکروسکوپی مکانیک‌های کلاسیکی و کوانتومی در طول قرن اخیر، رخ داده، توسعه‌ی ترمودینامیک، در طول این زمان، راکد بوده است.

اگرچه ترمودینامیک ابتدا برای توصیف ارتباط بین انرژی و کار توسعه داده شد، اما این نظریه، فقط به سیستم‌هایی اعمال می‌شود که به طور بی‌نهایت آهسته، تغییر می‌کنند. در سال ۱۹۹۷، فیزیکدانی به نام کریستوفر جارزینسکی از دانشگاه مریلند، راهی برای گسترش ترمودینامیک به سیستم‌هایی که فرآیندهای انتقال گرما و انرژی با هر سرعت دلخواه، رخ می‌دهند، معرفی کرد. نظریه‌های افت‌وخیز که اکنون مهم‌ترین آنها، تساوی جارزینسکی (Jarzynski equality) نامیده می‌شود، به ما اجازه می‌دهد ترمودینامیکِ محدوده‌ی وسیع‌تری از سیستم‌های کوچک (اما هنوز کلاسیکی) را درک کنیم. محققان این پژوهش می‌گویند:

ترمودینامیک، یک نظریه‌ی پدیدارشناختی برای توصیف رفتار متوسط گرما و کار است. این نظریه در اصل برای بهبود موتورهای گرمایی بزرگ و پیچیده، طراحی شد و توانایی توصیف سیستم‌های کوچک و دور از تعادل را نداشت. تساوی جارزینسکی، حوزه‌ی ترمودینامیک را به طور چشمگیری وسعت بخشید و زیربنایی برای ترمودینامیک تصادفی شد که یک شاخه‌ی بسیار فعال و جدید در تحقیقات است.

ترمودینامیک تصادفی با مفاهیم ترمودینامیکی و کلاسیکی مانند کار، گرما و انتروپی در سطح مسیرهای افت‌و خیزکننده‌ی اتم‌ها و ملکول‌ها در ارتباط است. این تصویر دقیق‌تر، به ویژه برای درک ترمودینامیک سیستم‌های مقیاس کوچک، مهم است. پس از مدتی، تساوی جارزینسکی و سایر قضیه‌های افت‌وخیز به مقیاس کوانتومی گسترش یافتند. در سال ۲۰۰۷، محققان نشان دادند چگونه اثرات کوانتومی، تفسیر رایج کار را اصلاح می‌کنند، اما هنوز سوالات بسیاری باقی مانده و به طور کلی، این حوزه از ترمودینامیک تصادفی کوانتومی، هنوز ناکامل است. اکنون، نتایج این پژوهش، پیشرفت مهمی را نشان می‌دهد. دانشمندان می‌گویند:

حالا ما در سال ۲۰۱۸، گام رو به جلوی بعدی را برداشته‌ایم. ما ترمودینامیک تصادفی را به نظریه‌های میدان کوانتومی (QFT) تعمیم داده‌ایم. به یک معنی، ما ترمودینامیک تصادفی را به محدوده‌ی نهایی اعتبارش، گسترش داده‌ایم، زیرا QFT، بنیادی‌ترین نظریه‌ فیزیک فعلی است.

یکی از کلیدهای دستیابی به این نتیجه، توسعه‌ی یک رویکرد نظری نموداری کاملا جدید بود که به محققان اجازه می‌داد دیاگرام‌های فاینمن را دسته‌بندی و ترکیب کرده و برای توصیف رفتار ذرات به شیوه‌ای جدید، استفاده کنند. آنها به کمک این رویکرد می‌توانند جمع‌های بی‌نهایتِ تمام جایگشت‌‌های ممکنِ (یا آرایش‌های‌‌) زیردیاگرام‌های توصیف کننده‌ی مسیرهای ذرات را به طور دقیق محاسبه کنند. دانشمندان می‌گویند:

کمیت «کار» که ما به آن، علاقمندیم، با کمیت‌هایی که به طور معمول با نظریه‌های ذرات محاسبه می‌شود، متفاوت بوده و بنابراین به رویکرد متفاوتی نیاز دارد.

فیزیکدانان معتقدند این نتایج، به سایر دانشمندان اجازه می‌دهد قضایای افت و خیز را به طیف وسیعی از مسائل خط مقدم فیزیک، مانند فیزیک ذرات، کیهان‌شناسی و فیزیک حالت جامد اعمال کنند؛ مسائلی مانند موتورهای کوانتومی، ویژگی‌های ترمودینامیکی گرافن و پلاسمای کوارک-گلوئون تولید شده در برخورددهنده‌های یون سنگین. فیزیکدانان می‌خواهند در آینده رویکردشان را به محدوده‌ی وسیع‌تری از نظریات میدان‌های کوانتومی تعمیم دهند.