среда12 февраля 2025
ps-ua.com

Правила классической физики действуют и в квантовом мире: ученые поставили под сомнение 90-летнюю теорию.

Квантовая физика подчиняется второму закону термодинамики, как и другие области науки. В ней присутствуют хаос и беспорядок, но они проявляются по-другому.
Правила классической физики действуют и в квантовом мире: ученые поставили под сомнение 90-летнюю теорию.

Согласно второму закону термодинамики, энтропия изолированной системы имеет тенденцию возрастать со временем. Все вокруг нас подчиняется этому закону. Например, таяние льда, охлаждение горячего кофе и процесс старения — все это примеры увеличения энтропии со временем. Долгое время ученые полагали, что квантовая физика является исключением из этого правила. Это мнение основывалось на работах математика Джона фон Неймана, который около 90 лет назад опубликовал серию статей, в которых утверждал, что если мы обладаем полным пониманием квантового состояния системы, ее энтропия остается неизменной со временем. Однако новое исследование, опубликованное в журнале PRX Quantum, ставит под сомнение это представление. Ученые считают, что энтропия замкнутой квантовой системы также увеличивается со временем, пока не достигнет максимального уровня, как сообщает Interesting Engineering.

По словам физиков, если определить концепцию энтропии таким образом, чтобы она соответствовала основным принципам квантовой физики, то противоречий между квантовой физикой и термодинамикой больше не существует.

Авторы исследования выделили важный аспект в объяснении фон Неймана. Он утверждал, что энтропия для квантовой системы остается постоянной, когда у нас есть полная информация о системе. Однако квантовая теория утверждает, что невозможно получить полное понимание квантовой системы, так как мы можем измерять лишь определенные ее свойства с неопределенностью. Это подразумевает, что подход фон Неймана не является корректным для анализа случайности и хаоса в квантовых системах.

Вместо вычисления энтропии фон Неймана для полного квантового состояния всей системы, можно рассчитать энтропию для конкретной наблюдаемой системы, утверждают 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 квантовой системы.

Если существует только один возможный результат измерения, который происходит с 100% вероятностью, то энтропия Шеннона равна нулю. Если есть множество возможных значений с одинаково высокими вероятностями, то энтропия Шеннона будет великой.

Когда мы переосмысливаем энтропию квантовой системы через призму Клода Шеннона, мы начинаем с квантовой системы в состоянии низкой энтропии Шеннона, что подразумевает, 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 получим новой информации из измерения.

Если же спин равновероятно направлен вверх и вниз, то энтропия Шеннона будет высокой, так как мы можем получить любой результат с равной вероятностью, и измерение даст нам новую информацию. Со временем энтропия возрастает, поскольку вы никогда не уверены в результате, отмечают физики.

В конечном итоге энтропия достигает уровня, при котором она стабилизируется, что означает, что непредсказуемость системы приходит в равновесие. Это соответствует тому, что мы наблюдаем в классической термодинамике, где энтропия увеличивается до достижения равновесия, а затем остается постоянной.

По мнению физиков, этот случай энтропии также применим к квантовым системам, состоящим из множества частиц и создающим несколько результатов измерений.

Таким образом, утверждают ученые, второй закон термодинамики также справедлив для полностью изолированной квантовой системы. Нужно лишь использовать подходящее определение энтропии.