Правила класичної фізики працюють і в квантовому світі: вчені оскаржили 90-річну теорію

Згідно з другим законом термодинаміки, ентропія ізольованої системи має тенденцію збільшуватися з часом. Усе навколо нас слідує цьому закону. Наприклад, танення льоду, охолодження гарячої кави та старіння. Усе це приклади збільшення ентропії з часом. Досі вчені вважали, що квантова фізика є винятком із цього закону. Це пов'язано з тим, що близько 90 років тому математик Джон фон Нейман опублікував серію статей, у яких він показав, що якщо ми маємо повне розуміння квантового стану системи, її ентропія залишається постійною з плином часу. Але нове дослідження, опубліковане в журналі PRX Quantum, заперечує це уявлення. Вчені вважають, що ентропія замкнутої квантової системи також збільшується з часом, поки не досягне свого пікового рівня, пише Interesting Engineering.

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

За словами фізиків, якщо визначати концепцію ентропії таким чином, щоб вона була сумісна з основними ідеями квантової фізики, то більше немає жодних суперечностей між квантовою фізикою і термодинамікою.

Автори дослідження підкреслили важливу деталь у поясненні фон Неймана. Він заявив, що ентропія для квантової системи не змінюється, коли в нас є повна інформація про систему. Але квантова теорія каже, що неможливо мати повне розуміння квантової системи, оскільки ми можемо лише вимірювати її певні властивості з невизначеністю. Це означає, що ентропія фон Неймана не є правильним підходом до розгляду випадковості та хаосу в квантових системах.

Замість того, щоб обчислювати ентропію фон Неймана для повного квантового стану всієї системи, можна обчислити ентропію для конкретної спостережуваної системи, кажуть автори дослідження.

Цього можна досягти за допомогою ентропії Шеннона, концепції, запропонованої математиком Клодом Шенноном у 1948 році. Ентропія Шеннона вимірює невизначеність результату конкретного вимірювання. Вона показує, скільки нової інформації ми отримуємо під час спостереження за квантовою системою.

Якщо є тільки один можливий результат вимірювання, який відбувається зі 100% упевненістю, то ентропія Шеннона дорівнює нулю. Якщо є багато можливих значень з однаково великими ймовірностями, то ентропія Шеннона велика.

Коли ми переосмислюємо ентропію квантової системи через призму Клода Шеннона, ми починаємо з квантової системи в стані низької ентропії Шеннона, що означає, що поведінка системи відносно передбачувана.

Наприклад, уявіть, що у вас є електрон, і ви вирішили виміряти його спін, який може бути спрямований догори або вниз. Якщо ви вже знаєте, що спін на 100% спрямований вгору, то ентропія Шеннона дорівнює нулю, і ми не дізнаємося нічого нового з вимірювання.

У разі, якщо спін на 50% спрямований догори і на 50% спрямований донизу, то ентропія Шеннона є великою, адже ми з рівною вірогідністю отримаємо будь-який результат, і вимірювання дає нам нову інформацію. З плином часу ентропія збільшується, оскільки ви ніколи не впевнені в результаті, кажуть фізики.

Зрештою ентропія досягає точки, в якій вона вирівнюється, що означає, що непередбачуваність системи стабілізується. Це відображає те, що ми спостерігаємо в класичній термодинаміці, де ентропія збільшується, поки не досягне рівноваги, а потім залишається постійною.

За словами фізиків, цей випадок ентропії також справедливий для квантових систем, що включають багато частинок і створюють кілька результатів вимірювань.

Таким чином, кажуть учені, другий закон термодинаміки також вірний у квантовій системі, яка повністю ізольована від свого навколишнього середовища. Потрібно просто використовувати відповідне визначення ентропії.

Як уже писав Фокус, вчені виявили третю форму магнетизму, яка отримала назву альтермагнетизм. Ця форма магнетизму має унікальні властивості, які схожі з тими, що мають феромагнітні та антиферомагнітні матеріали.

Також Фокус писав про те, марсохід NASA виявив на Марсі те, чого ще ніколи не бачили вчені. Зразки марсіанської гірської породи, зібрані марсоходом Perseverance, можуть пролити світло на історію Червоної планети.