تایید برگشت‌ناپذیری فرآیندهای ترمودینامیکی در سطح کوانتومی

محققان با استفاده از اندازه‌گیری آنتروپی در یک سیستم بسته از اتم‌های کربن ۱۳ که در معرض میدان مغناطیسی نوسانی قرار دارد، مشاهده کردند که فرآیندهای ترمودینامیکی در سطح کوانتومی برگشت‌پذیر نیستند. این یافته محققان برای طراحی سیستم‌های محاسبات کوانتومی می‌تواند مفید باشد.

کد خبر: ۴۷۲۶۲۱

چهارشنبه - ۰۲ دی ۱۳۹۴ / December 23, 2015

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو؛ به نقل از ستاد فناوری نانو؛ محققان دانشگاه ای‌بی‌سی( ABC) برزیل به موفقیت بزرگی دست یافته‌اند. آنها تایید می‌کنند که فرآیندهای ترمودینامیکی حتی در سیستم‌های کوانتومی نیز برگشت‌پذیر نیستند. این آشکارسازی نه تنها یک جنبه اساسی از جهان ما را توصیف می‌کند، بلکه می‌تواند طراحی سیستم‌های محاسباتی کوانتومی را تحت تاثیر قرار دهد. در حال حاضر دنیای میکروسکوپی و ماکروسکوپی با استفاده از 2 استاندارد متفاوت عمل می‌کنند: نسبیت عام جهان ماکروسکوپی را اداره می‌کند، در حالی که فیزیک کوانتومی دنیای میکروسکوپی را هدایت می‌کند. در دیدگاه ما از جهان ماکرو، فرآیندهای ترمودینامیکی تنها در یک جهت حرکت می‌کنند. این بدین معنی است که با استفاده از قیاس تخم‌مرغ، شما نمی‌توانید فرآیند پخته‌شدن تخم‌مرغ را برگردانید و آن را در قفسه قرار دهید. ولی در جهان زیراتمی بسیاری از این فرآیندها از لحاظ زمانی متقارن هستند و اساسا برگشت‌پذیر می‌باشند.

آنچه که تیاگو باتالهائو و تیمش در دانشگاه ای‌بی‌سی کشف کردند، عکس انتظارات ما می‌باشند. هدف آزمایش آنها اندازه‌گیری تغییرات آنتروپی در سیستم بسته‌ای از اتم‌های کربن13 می‌باشد که در کلوروفورم مایع غوطه‌ور شده است و در معرض یک میدان مغناطیسی نوسان‌کننده قرار دارد. ایده اصلی این است که قطبی‌سازی میدان باید باعث چرخش اسپین‌های هسته اتم در یک جهت بشود، در حالی که معکوس‌سازی قطبیت میدان باعث تغییر اسپین‌ها و چرخش آنها در جهت عکس می‌شود.

حال بر اساس فهم ما از فیزیک در صورتی که این فرآیند به لحاظ زمانی متقارن بود، باید اسپین‌های اتم به عقب و جلو حرکت کنند و زمانی‌که اعمال میدان مغناطیسی متوقف شد، به حالت اولیه خودشان برگردند. گروه ای‌بی‌سی مشاهده کرد که اسپین‌های اتم نمی‌توانند با نرخ نوسان میدان مغناطیسی حرکت کنند و تعدادی از آنها ممکن است همزمانی با همسایه‌های خودشان را از دست بدهند. این بدان معنی است که انتروپی در یک سیستم بسته واقعا در حال افزایش بود، دقیقا اثر متضاد آن چیزی که باید اتفاق می‌افتاد. این مشاهده اثبات می‌کند که فرآیندهای ترمودینامیکی در سطح کوانتومی برگشت‌پذیر نیستند و در واقع تفکیک میان قانون‌های فعلی فیزیک و مشاهدات کنونی ما را آشکار می‌سازد. این گروه باید کار پژوهشی زیادی بر روی دلیل وقوع این ناهنجاری و جنبه‌های فیزیکی که در سطح کوانتومی از برگشت‌پذیری این واکنش‌های آنتروپی جلوگیری می‌کند، انجام دهد.

مائولو پاترنوسترو مولف همکار این مطالعه در دانشگاه کویینز به سایت Phys.org اعلام کرد که:« هر پیشرفتی در مدیریت زمان فرآیندهای ترمودینامیکی در سطح کوانتومی یک گام رو به جلو برای رسیدن به یک ماشین حرارتی کاملا تکامل‌یافته است که می‌تواند از قوانین مکانیک کوانتومی استفاده کند تا بر محدودیت‌های عملکردی ادوات سنتی غلبه کند. این کار نتایجی از بازگشت‌پذیری دینامیک کوانتومی نامتعادل را نشان می‌دهد. زمانی که ما بتوانیم آن را توصیف کنیم، می‌توانیم در سطح فناورانه نیز آن را تحت کنترل دربیاوریم.»

این مطالعه اخیرا در مجله Physical Review Letters منتشر شده است.