اگرچه علم ترمودینامیک، نسبت به نظریه کوانتومی، قدمت زیادی داشته و با دیدی ماکروسکوپی به دنیا می‌نگرد، اما تلفیق این دو، ترکیبی طلایی به نام ترمودینامیک کوانتومی می‌سازد. در مقاله زیر که نسخه‌ی اصلی آن در سایت معتبر Wired منتشر شده، در مورد این ترکیب طلایی بیشتر صحبت خواهیم کرد. با دیپ لوک همراه باشید…

میزان تاثیر موتورهای بخار در تبدیل گرما به کار برای نخستین بار در سال ۱۸۲۴ و در فرآیند به حرکت درآوردن پیستون و توانایی چرخش یک چرخ، توسط مهندس جوان فرانسوی، سعدی کارنو بیان شد. فرمولی که امروزه از آن تحت عنوان بازده فرآیند یاد می‌کنند. بر اساس مطالعات کارنو، بالاترین بهره‌وری یک موتور، تنها به اختلاف دمای میان منبع موتور حرارتی (معمولا آتش) و منبع مصرف کننده دما (معمولا هوای بیرون) وابسته است. او همچنین بیان کرد که کار، محصول جانبی (Byproduct) گرماست که به شکل طبیعی از جسم گرم‌تر به جسم سردتر منتقل می‌شود.  کارنو هشت سال پس از ارائه این فرمول بر اثر بیماری وبا درگذشت و نتوانست انقلابی که توسط این فرمول به نام نظریه ترمودینامیک ایجاد شد را مشاهده کند. قوانین ترمودینامیک مجموعه ای از قوانین جهانی هستند که فعل و انفعال بین دما، گرما، کار، انرژی و انتروپی را توضیح می‌دهند. قوانین ترمودینامیک نه تنها در مورد موتور‌های بخار دارای اعتبار است، بلکه در مورد هر مسئله دیگری از جمله خورشید، سیاه چاله‌ها، موجودات زنده و حتی کل جهان نیز صدق می‌کنند. این نظریه در عین سادگی، بسیار جامع است، طوری که آلبرت اینشتین از آن به عنوان نظریه‌ای که هیچگاه منسوخ نمی‌شود، یاد کرد. لیدا دل ریو در نخستین خط مقاله‌اش در مجله Journal of Physics A چنین نوشت (دانلود این مقاله):

اگر نظریه‌های فیزیکی را مردم عادی، فرض کنیم، قوانین ترمودینامیکی به مثابه جادوگر خواهند بود.

بر خلاف مدل‌های استاندارد فیزیک ذرات که سعی در اثبات وجود اجسام دارند، قوانین ترمودینامیکی تنها برای بیان توانایی انجام یا عدم انجام یک فرآیند، کاربرد دارند. یکی از عجیب ترین نکات در مورد ترمودینامیک، این است که ذهنی به نظر می‌رسد. گازی متشکل از مجموعه‌ ذراتی دارای دمای یکسان (بنابراین قادر به انجام کار نیستند)، ممکن است با بررسی‌های بیشتر، دارای تفاوت دمای میکروسکوپی باشد که با قوانین ترمودینامیکی تطابق ندارد. همانطور که فیزیکدان قرن نوزدهم ماکس پلانک بیان کرد:

اتلاف انرژی، بستگی به میزان دانش ما دارد.

در سال‌های اخیر، انقلابی در مفاهیم ترمودینامیک پدید آمده که از آن به عنوان یک کودک نو پا در میان نظریه‌های فیزیکی یاد می‌کنند. در این نظریه، گسترش اطلاعات از طریق سیستم‌های کوانتومی توصیف می‌شود. این نظریه جدید، سعی در بیان مفاهیم ترمودینامیکی با استفاده از نظریه اطلاعات کوانتومی دارد. اگرچه نظریه ترمودینامیک کلاسیک در ابتدا سعی در بهبود کارایی موتور‌های بخار داشت، ترمودینامیک امروزی برای گسترش ماشین‌های کوانتومی، تلاش می‌کند. گروهی از محققان، اخیرا آزمایشی انجام دادند که در آن برای اولین بار، با استفاده از تکنولوژی کوچک‌سازی، (یک موتور تک یونی و سه اتم منجمد) موفق به گسترش ترمودینامیک به قلمروی کوانتومی شدند، جایی که در آن مفاهیمی مانند دما و کار، معانی معمول خود را از دست داده و قوانین کلاسیک لزوما صدق نمی‌کنند. نتایج این آزمایش منجر به ارائه نسخه کوانتومی جدیدی از قانون اولیه ترمودینامیک شد. بازنویسی اساسی این نظریه باعث شد دانشمندان، ارتباط عمیق و شگفت‌انگیزی بین انرژی و اطلاعات پیدا کنند. ترمودینامیک کوانتومی ، نظریه‌ای در حال توسعه، همراه با شور و سردرگمی است. یکی از محققان پیشرو در این زمینه می‌گوید:

ما در حال ورود به دنیای جدیدی از ترمودینامیک هستیم. اگرچه در ابتدا شروع خوبی در توسعه مفاهیم آن داشتیم اما حالا با دیدگاه کاملا متفاوتی در حال بررسی آن هستیم.

انتروپی، همان عدم قطعیت در ترمودینامیک کوانتومی است

ماکسول برای نخستین بار در سال ۱۸۹۹، تناقض بین ترمودینامیک و اطلاعات را بیان کرد. تناقض ایجاد شده در ارتباط با قانون دوم ترمودینامیک بود که بیان می‌کند انتروپی یک سیستم منزوی همواره در حال افزایش است. بر اساس قانون دوم ترمودینامیک، کیفیت انرژی در اثر انتقال از یک جسم گرم به جسم سرد تا زمانی که اختلاف دمای بین دو جسم از بین برود، کاهش یافته، بطوری که انرژی بی نظم‌تر و کم اثر‌تر شده و جهان به سمتی حرکت می‌کند که دیگر قادر به انجام کاری نخواهد بود که از آن به عنوان دمای مرگ یاد می‌کنند. از دیدگاه بولتزمن، انتروپی با پراکندگی انرژی، افزایش می‌یابد. از دیدگاه آماری می‌توان گفت: راه‌های متعددی برای توزیع انرژی میان ذرات یک سیستم وجود دارد، بنابراین ذرات دائما در حال حرکت و برهمکنش با یکدیگر هستند و به‌طور طبیعی به سمتی حرکت می‌کنند که انرژی به اشتراک گذاشته شده، افزایش یابد، اما ماکسول از یک آزمایش ذهنی به نام شیطان ماکسول (Maxwell’s demon) سخن گفت. در این آزمایش، دو محفظه توسط مانعی که دارای یک درب است از یکدیگر جدا شده‌اند. نگهبان این درب، یک شیطانک است که از موقعیت و سرعت تمام مولکولهای گازی موجود در محفظه نگهدارنده، آگاه است. شیطانک به مولکول‌های با سرعت بالا اجازه ورود به محفظه B را می‌دهد، در صورتی مولکول‌های با سرعت پایین، فقط اجازه ورود به محفظه A را دارند. این عملکرد شیطانک باعث تقسیم گاز موجود به دو دسته‌ی سرد و گرم و در نتیجه تمرکز انرژی در یک نقطه و کاهش انتروپی سیستم می‌گردد (تصویر زیر). در نتیجه به نظر می‌رسد قانون دوم ترمودینامیک نقض می‌شود، قانونی که بعدها توسط آرتور ادینگتون، ممتاز‌ترین قانون طبعیت لقب گرفت.

این تناقض میان ترمودینامیک و اطلاعات، یک قرن پس از ماکسول، توسط بنت و گروهی از محققان برطرف شد. به اعتقاد او و همکارانش، اگرچه شیطانک، مولکول‌های گاز درون محفظه را به دو دسته‌ی گرم و سرد تقسیم کرده و باعث کاهش انتروپی سیستم می‌شود، اما با این کار، انرژی، توسط شیطان مصرف شده و انتروپی از دست رفته سیستم، جبران می‌شود. در نتیجه انتروپی کل ذره-گاز افزایش می‌یابد که با قانون دوم ترمودینامیک، سازگار است. این یافته‌ها تاییدی بر این باور است که «اطلاعات، فیزیکی هستند». هر چه میزان اطلاعات بیشتر باشد، میزان کار انجام شده نیز بیشتر خواهد بود. شیطان ماکسول می‌تواند کار را از یک گاز با درجه حرارت مشخص برباید، زیرا اطلاعات به مراتب بیشتری نسبت به سایر ذرات دارد. بنت استدلال کرد که دانش شیطانک در حافظه‌اش،‌ ذخیره گردیده و این حافظه باید پاک شود که برای این کار، نیاز به صرف انرژی است (لانداور در سال ۱۹۶۱ محاسبه کرد که در دمای اتاق، هر کامپیوتر حداقل به ۲.۹ زپتوژول انرژی برای پاک کردن یک بیت از اطلاعات ذخیره شده، نیاز دارد).

ماکسول و سایر دانشمندان تعجب کردند که چطور یک قانون طبیعی می‌تواند به دانش یک فرد در مورد سیستم (اینجا سرعت و مکان ذرات) بستگی داشته باشد. اگر قانون دوم ترمودینامیک ذاتا به اطلاعات فرد بستگی دارد، پس در چه صورت، درست است؟ نیم قرن بعد، با گسترش نظریه‌ی اطلاعات کوانتومی بر پایه‌ی کامپیوتر‌های کوانتومی، دریچه‌ی جدیدی به روی فیزیکدانان گشوده شد. گروهی از محققان معتقدند که انرژی به دلیل راه‌های انتقال اطلاعات بین اجسام، به جسم سردتر منتقل می‌شود. بر اساس نظریه کوانتومی، ویژگی‌های فیزیکی اجسام، احتمالی هستند. در واقع ذرات به جای اینکه مقادیر ۱ و یا ۰ را داشته باشند، می‌توانند در یک زمان، بنابر برخی احتمالات، هم مقادیر ۱ و هم مقادیر ۰ را داشته باشند (یعنی همان برهم نهی کوانتومی که در آن، احتمالات S1 و S0 نشان دهنده حالت ذرات است). در واقع زمانی که ذرات با یکدیگر واکنش می‌دهند، امکان به دام افتادن آن‌ها نیز وجود دارد، در نتیجه توزیع احتمال جدیدی برای این حالت از ماده به وجود می‌آید که بیانگر حالت هر دو ماده می‌باشد. یکی از محورهای اصلی نظریه کوانتوم این است که اطلاعات هرگز از بین نمی‌رود (وضعیت کنونی جهان، تمام اطلاعات در مورد گذشته را حفظ می‌کند)، اما با گذشت زمان و برهمکنش ذرات و تبدیل شدن به ذرات بزرگتر، اطلاعات در مورد حالت منفرد آن‌ها پخش گردیده و با اطلاعات سایر ذرات، مخلوط شده است. در نهایت، این اطلاعات میان ذرات دیگر به اشتراک گذاشته شده است. گروهی از دانشمندان معتقدند، افزایش بردار درهم‌تنیدگی کوانتومی، موجب افزایش قابل انتظار انتروپی و در نتیجه بردار زمانی ترمودینامیک شده است. آن‌ها علت سرد شدن یک فنجان قهوه تا دمای اتاق را به دلیل برهمکنش مولکول‌های قهوه با مولکول‌های هوا می‌دانند که باعث می‌شود اطلاعات میان آن‌ها از حالت کدگذاری خارج شده و با مولکول‌های هوا به اشتراک گذاشته شوند.

درک انتروپی به عنوان یک موضوع انتزاعی اجازه می‌دهد جهان به عنوان یک کل، بدون از دست دادن اطلاعات به تکامل برسد. تجربه افزایش انتروپی همراه با رقیق شدن اطلاعات کوانتومی حتی چیزهایی مانند قهوه، موتور و مردم، به عنوان بخشی از جهان، باعث می‌شود انتروپی بخشی از جهان برای همیشه صفر باقی بماند. گروهی از دانشمندان در دانشگاه زوریخ تعریفی جدید و جنجالی از انتروپی ارائه داده‌اند:

تا به‌حال انتروپی به عنوان ویژگی یک سیستم ترمودینامیکی تعریف می‌شد، اما در حال حاضر در نظریه اطلاعات، نباید بگوییم انتروپی، ویژگی یک سیستم است، بلکه انتروپی به عنوان ویژگی یک سیستم که توسط ناظر مشاهده می‌شود، تعریف می‌گردد!

ادامه دارد…