آنتروپی در دنیای کوانتومی هم کار می‌کنند
نتایج یک پژوهش تازه نشان می‌دهد که قوانین آنتروپی در دنیای کوانتومی نیز کار می‌کنند. در واقع فیزیک کوانتومی نیز از قانون دوم ترمودینامیک مستثنی نیست. همچنین دارای هرج و مرج و بی‌نظمی، اما از نوعی دیگر است.
طبق قانون دوم ترمودینامیک، آنتروپی یک سامانه بسته به مرور زمان افزایش می‌یابد. همه چیز در اطراف ما از این قانون پیروی می‌کند. به عنوان مثال، ذوب شدن یخ، آشفتگی اتاق، سرد شدن قهوه داغ و پیری، همه نمونه‌هایی از افزایش آنتروپی در طول زمان هستند.
آنتروپی (entropy) مفهومی علمی و همچنین یک خاصیت فیزیکی غیر قابل اندازه‌گیری است که در عادی‌ترین حالت با حالت اختلال، تصادفی بودن و عدم قطعیت مرتبط است.
به عبارتی، آنتروپیِ یک سامانه فیزیکی، کمترین تعداد ذراتی است که برای تعریف صحیح حالت دقیق سامانه نیاز است. آنتروپی نماینده تصادفی بودن مولکول‌ها است و در واقع ویژگی‌های یک سامانه را تعریف می‌کند.
دانشمندان تا پیش از این معتقد بودند که فیزیک کوانتومی از این قانون مستثنی است. به این دلیل که حدود ۹۰ سال پیش، ریاضیدانی به نام جان فون نویمان(John von Neumann) مجموعه‌ای از مقالات را منتشر کرد که در آنها به زبان ریاضی نشان داد که اگر اطلاعات کاملی از وضعیت کوانتومی یک سیستم داشته باشیم، آنتروپی آن در طول زمان ثابت می‌ماند.
با این حال، یک پژوهش جدید از پژوهشگران دانشگاه فناوری وین(TU Wien) این مفهوم را به چالش می‌کشد. این پژوهش نشان می‌دهد که آنتروپی یک سیستم کوانتومی بسته نیز در طول زمان، تا زمانی که به سطح اوج خود برسد، افزایش می‌یابد.
پژوهشگران می‌گویند: این بستگی به نوع آنتروپی دارد که شما به آن نگاه می‌کنید. اگر مفهوم آنتروپی را به گونه‌ای تعریف کنید که با ایده‌های اساسی فیزیک کوانتومی سازگار باشد، دیگر هیچ تناقضی بین فیزیک کوانتومی و ترمودینامیک وجود ندارد.
سامانه کوانتومی از آنتروپی متفاوتی پیروی می‌کند
نویسندگان این مطالعه جزئیات مهمی را در توضیح نویمان برجسته کردند. نویمان اظهار داشت که آنتروپی برای یک سامانه کوانتومی زمانی که اطلاعات کاملی در مورد سامانه داشته باشیم، تغییر نمی‌کند.
با این حال، خود نظریه کوانتومی، به ما می‌گوید که داشتن دانش کامل از یک سامانه کوانتومی غیرممکن است(عدم قطعیت ذاتی)، زیرا ما فقط می‌توانیم ویژگی‌های خاصی را با عدم قطعیت اندازه‌گیری کنیم. این بدان معناست که آنتروپی نویمان رویکرد صحیحی برای بررسی تصادفی بودن و آشفتگی در سامانه‌های کوانتومی نیست.
بنابراین راه درست چیست؟
نویسندگان این پژوهش توضیح می‌دهند که به جای محاسبه آنتروپی نویمان برای حالت کوانتومیِ کاملِ کلِ سامانه می‌توان آنتروپی را برای «یک عامل قابل مشاهده خاص» محاسبه کرد.
این را می‌توان با استفاده از آنتروپی شانون(Shannon)، مفهومی که توسط ریاضیدانی به نام کلود شانون(Claude Shannon) در سال ۱۹۴۸ در مقاله خود با عنوان «نظریه ریاضی ارتباطات» پیشنهاد شد، به دست آورد. آنتروپی شانون عدم قطعیت در نتیجه یک اندازه گیری خاص را اندازه‌گیری می‌کند. این نظریه به ما می‌گوید که چه مقدار اطلاعات جدید هنگام مشاهده یک سامانه کوانتومی به دست می‌آوریم.
فلوریان میر(Florian Meier)، نویسنده اول این پژوهش و پژوهشگر دانشگاه وین گفت: اگر فقط «یک نتیجه اندازه‌گیری ممکن» وجود داشته باشد که با اطمینان ۱۰۰ درصدی رخ دهد، بنابراین آنتروپی شانون، صفر است. شما از نتیجه شگفت‌زده نخواهید شد، چیزی از آن یاد نخواهید گرفت. اگر مقادیر ممکن زیادی با احتمالات مشابه بزرگ وجود داشته باشد، آنتروپی شانون بزرگ است.
ادغام فیزیک کوانتومی با ترمودینامیک
وقتی آنتروپی یک سامانه کوانتومی را از دیدگاه کلود شانون دوباره تصور می‌کنیم، با یک سامانه کوانتومی در حالت آنتروپی شانون پایین شروع می‌کنیم، به این معنی که رفتار سیستم نسبتاً قابل پیش‌بینی است.
به عنوان مثال...
ادامه این گزارش ✍️
✨ @ofoghroydadd
❄️ PRX Quantum
نتایج یک پژوهش تازه نشان می‌دهد که قوانین آنتروپی در دنیای کوانتومی نیز کار می‌کنند. در واقع فیزیک کوانتومی نیز از قانون دوم ترمودینامیک مستثنی نیست. همچنین دارای هرج و مرج و بی‌نظمی، اما از نوعی دیگر است.
طبق قانون دوم ترمودینامیک، آنتروپی یک سامانه بسته به مرور زمان افزایش می‌یابد. همه چیز در اطراف ما از این قانون پیروی می‌کند. به عنوان مثال، ذوب شدن یخ، آشفتگی اتاق، سرد شدن قهوه داغ و پیری، همه نمونه‌هایی از افزایش آنتروپی در طول زمان هستند.
آنتروپی (entropy) مفهومی علمی و همچنین یک خاصیت فیزیکی غیر قابل اندازه‌گیری است که در عادی‌ترین حالت با حالت اختلال، تصادفی بودن و عدم قطعیت مرتبط است.
به عبارتی، آنتروپیِ یک سامانه فیزیکی، کمترین تعداد ذراتی است که برای تعریف صحیح حالت دقیق سامانه نیاز است. آنتروپی نماینده تصادفی بودن مولکول‌ها است و در واقع ویژگی‌های یک سامانه را تعریف می‌کند.
دانشمندان تا پیش از این معتقد بودند که فیزیک کوانتومی از این قانون مستثنی است. به این دلیل که حدود ۹۰ سال پیش، ریاضیدانی به نام جان فون نویمان(John von Neumann) مجموعه‌ای از مقالات را منتشر کرد که در آنها به زبان ریاضی نشان داد که اگر اطلاعات کاملی از وضعیت کوانتومی یک سیستم داشته باشیم، آنتروپی آن در طول زمان ثابت می‌ماند.
با این حال، یک پژوهش جدید از پژوهشگران دانشگاه فناوری وین(TU Wien) این مفهوم را به چالش می‌کشد. این پژوهش نشان می‌دهد که آنتروپی یک سیستم کوانتومی بسته نیز در طول زمان، تا زمانی که به سطح اوج خود برسد، افزایش می‌یابد.
پژوهشگران می‌گویند: این بستگی به نوع آنتروپی دارد که شما به آن نگاه می‌کنید. اگر مفهوم آنتروپی را به گونه‌ای تعریف کنید که با ایده‌های اساسی فیزیک کوانتومی سازگار باشد، دیگر هیچ تناقضی بین فیزیک کوانتومی و ترمودینامیک وجود ندارد.
سامانه کوانتومی از آنتروپی متفاوتی پیروی می‌کند
نویسندگان این مطالعه جزئیات مهمی را در توضیح نویمان برجسته کردند. نویمان اظهار داشت که آنتروپی برای یک سامانه کوانتومی زمانی که اطلاعات کاملی در مورد سامانه داشته باشیم، تغییر نمی‌کند.
با این حال، خود نظریه کوانتومی، به ما می‌گوید که داشتن دانش کامل از یک سامانه کوانتومی غیرممکن است(عدم قطعیت ذاتی)، زیرا ما فقط می‌توانیم ویژگی‌های خاصی را با عدم قطعیت اندازه‌گیری کنیم. این بدان معناست که آنتروپی نویمان رویکرد صحیحی برای بررسی تصادفی بودن و آشفتگی در سامانه‌های کوانتومی نیست.
بنابراین راه درست چیست؟
نویسندگان این پژوهش توضیح می‌دهند که به جای محاسبه آنتروپی نویمان برای حالت کوانتومیِ کاملِ کلِ سامانه می‌توان آنتروپی را برای «یک عامل قابل مشاهده خاص» محاسبه کرد.
این را می‌توان با استفاده از آنتروپی شانون(Shannon)، مفهومی که توسط ریاضیدانی به نام کلود شانون(Claude Shannon) در سال ۱۹۴۸ در مقاله خود با عنوان «نظریه ریاضی ارتباطات» پیشنهاد شد، به دست آورد. آنتروپی شانون عدم قطعیت در نتیجه یک اندازه گیری خاص را اندازه‌گیری می‌کند. این نظریه به ما می‌گوید که چه مقدار اطلاعات جدید هنگام مشاهده یک سامانه کوانتومی به دست می‌آوریم.
فلوریان میر(Florian Meier)، نویسنده اول این پژوهش و پژوهشگر دانشگاه وین گفت: اگر فقط «یک نتیجه اندازه‌گیری ممکن» وجود داشته باشد که با اطمینان ۱۰۰ درصدی رخ دهد، بنابراین آنتروپی شانون، صفر است. شما از نتیجه شگفت‌زده نخواهید شد، چیزی از آن یاد نخواهید گرفت. اگر مقادیر ممکن زیادی با احتمالات مشابه بزرگ وجود داشته باشد، آنتروپی شانون بزرگ است.
ادغام فیزیک کوانتومی با ترمودینامیک
وقتی آنتروپی یک سامانه کوانتومی را از دیدگاه کلود شانون دوباره تصور می‌کنیم، با یک سامانه کوانتومی در حالت آنتروپی شانون پایین شروع می‌کنیم، به این معنی که رفتار سیستم نسبتاً قابل پیش‌بینی است.
به عنوان مثال...
ادامه این گزارش ✍️
✨ @ofoghroydadd
❄️ PRX Quantum