Правила классической физики работают и в квантовом мире: ученые оспорили 90-летнюю теорию

Согласно второму закону термодинамики, энтропия изолированной системы имеет тенденцию увеличиваться со временем. Все вокруг нас следует этому закону. Например, таяние льда, остывание горячего кофе и старение. Все это примеры увеличения энтропии со временем. До сих пор ученые считали, что квантовая физика является исключением из этого закона. Это связано с тем, что около 90 лет назад математик Джон фон Нейман опубликовал серию статей, в которых он показал, что если мы имеем полное понимание квантового состояния системы, ее энтропия остается постоянной с течением времени. Но новое исследование, опубликованное в журнале PRX Quantum, оспаривает это представление. Ученые считают, что энтропия замкнутой квантовой системы также увеличивается со временем, пока не достигнет своего пикового уровня, пишет Interesting Engineering.

У Фокус. Технологии появился свой Telegram-канал. Подписывайтесь, чтобы не пропускать самые свежие и захватывающие новости из мира науки!

По слова физиков, если определять концепцию энтропии таким образом, чтобы она была совместима с основными идеями квантовой физики, то больше нет никаких противоречий между квантовой физикой и термодинамикой.

Авторы исследования подчеркнули важную деталь в объяснении фон Неймана. Он заявил, что энтропия для квантовой системы не меняется, когда у нас есть полная информация о системе. Но квантовая теория говорит, что невозможно иметь полное понимание квантовой системы, поскольку мы можем только измерять ее определенные свойства с неопределенностью. Это означает, что энтропия фон Неймана не является правильным подходом к рассмотрению случайности и хаоса в квантовых системах.

Вместо того, чтобы вычислять энтропию фон Неймана для полного квантового состояния всей системы, можно вычислить энтропию для конкретной наблюдаемой системы, говорят авторы исследования.

Этого можно достичь с помощью энтропии Шеннона, концепции, предложенной математиком Клодом Шенноном в 1948 году. Энтропия Шеннона измеряет неопределенность результата конкретного измерения. Она показывает, сколько новой информации мы получаем при наблюдении за квантовой системой.

Если есть только один возможный результат измерения, который происходит со 100% уверенностью, то энтропия Шеннона равна нулю. Если есть много возможных значений с одинаково большими вероятностями, то энтропия Шеннона большая.

Когда мы переосмысливаем энтропию квантовой системы через призму Клода Шеннона, мы начинаем с квантовой системы в состоянии низкой энтропии Шеннона, что означает, что поведение системы относительно предсказуемо.

Например, представьте, что у вас есть электрон, и вы решили измерить его спин, который может быть направлен вверх или вниз. Если вы уже знаете, что спин на 100% направлен вверх, то энтропия Шеннона равна нулю и мы не узнаем ничего нового из измерения.

В случае, если спин на 50% направлен вверх и на 50% направлен вниз, то энтропия Шеннона большая, ведь мы с равной вероятностью получим любой результат, и измерение дает нам новую информацию. С течением времени энтропия увеличивается, поскольку вы никогда не уверены в результате, говорят физики.

В конечном итоге энтропия достигает точки, в которой она выравнивается, что означает, что непредсказуемость системы стабилизируется. Это отражает то, что мы наблюдаем в классической термодинамике, где энтропия увеличивается, пока не достигнет равновесия, а затем остается постоянной.

По словам физиков, этот случай энтропии также справедлив для квантовых систем, включающих много частиц и создающих несколько результатов измерений.

Таким образом, говорят ученые, второй закон термодинамики также верен в квантовой системе, которая полностью изолирована от своей окружающей среды. Нужно просто использовать подходящее определение энтропии.

Как уже писал Фокус, ученые обнаружили третью форму магнетизма, которая получила название альтермагнетизм. Эта форма магнетизма имеет уникальные свойства, которые схожи с теми, что имеют ферромагнитные и антиферромагнитные материалы.

Также Фокус писал о том, марсоход NASA обнаружил на Марсе то, чего еще никогда не видели ученые. Образцы марсианской горной породы, собранные марсоходом Perseverance, могут пролить свет на историю Красной планеты.