Chaos nadaje światu kwantowemu temperaturę

Teoria kwantowa i termodynamika są ze sobą subtelnie, choć nierozerwalnie połączone. Fizycy z Austrii zbadali, w jaki sposób chaos pośredniczy między nimi.
Teoria chaosu ma wpływ na prawa termodynamiki – to pierwsza taka obserwacja na świecie /Fot. TU Wien

Teoria chaosu ma wpływ na prawa termodynamiki – to pierwsza taka obserwacja na świecie /Fot. TU Wien

Każda cząstka elementarna ma pewną energię lub pewną prędkość, ale nie jest obdarzona temperaturą. Dopiero, gdy mamy do czynienia z grupą cząstek, możemy mówić o zjawisku (ich) temperatury. To oznacza, że prawa dobrze znanej termodynamiki są powiązane z fizyką kwantową. Zespół uczonych z Uniwersytetu Technicznego w Wiedniu (Tu Wien) przeprowadził symulacje komputerowe, które potwierdziły wieloletnie przypuszczenia. To chaos nadaje cząstkom temperaturę. Tylko tam, gdzie obowiązuje teoria chaosu, zasady termodynamiki wynikają z fizyki kwantowej. Szczegóły opisano w czasopiśmie Entropy.

Chaos a kwanty

Cząsteczki powietrza wypełniające pomieszczenia, w których żyjemy mogą przyjmować trudną do pojęcia liczbę różnych stanów. Dla każdej z cząsteczek możliwe jest wiele różnych lokalizacji i prędkości, choć nie wszystkie są równie prawdopodobne.

Fizycznie byłoby możliwe, aby cała energia w tej przestrzeni została przekazana jednej pojedynczej cząstce, która następnie poruszałaby się z niezwykle dużą prędkością, podczas gdy wszystkie inne cząstki stałyby w miejscu. Jest to jednak tak mało prawdopodobne, że praktycznie nigdy nie zostanie zaobserwowane. prof. Iva Brezinova z TU Wien

Okazuje się, że prawdopodobieństwo wystąpienia różnych stanów można obliczyć – według wzoru opracowanego przez austriackiego fizyka Ludwiga Boltzmanna. Dzięki niemu można odczytać także temperaturę. Problemy pojawiają się, gdy przechodzimy do rzeczywistości kwantowej. W przypadku wielu cząstek kwantowych, równania stają się tak skomplikowane, że nawet najlepsze superkomputery na świecie się w nich gubią.

Czytaj też: Fizyka kwantowa – siedem faktów, które warto znać

W fizyce kwantowej nie możemy rozpatrywać poszczególnych cząstek niezależnie od siebie (jako odrębnych bytów) – nie mają one bowiem “indywidualności” i mogą być opisane przy pomocy jednej dużej funkcji falowej.

W fizyce kwantowej cały system jest opisywany przez jeden duży wielocząstkowy stan kwantowy. Jak powinien z tego powstać losowy rozkład, a tym samym temperatura, pozostawało przez długi czas zagadką. prof. Joachim Burgdörfer z TU Wien

Wydaje się, że zagadka została rozwiązana. Naukowcy z Tu Wien przeprowadzili symulację komputerową układu kwantowego zbudowanego z dużej liczby nierozróżnialnych cząstek i jednej cząstki innego rodzaju, która działała jako termometr. Każda indywidualna funkcja falowa układu kwantowego ma określoną energię, ale nie temperaturę. Jeżeli wybierzemy dowolną cząstkę z dowolnego stanu kwantowego i zmierzymy jej prędkość, możemy ją połączyć z temperaturą (zgodnie z zasadami termodynamiki).

To, czy pasuje, czy nie, zależy od chaosu – to właśnie wyraźnie pokazały nasze obliczenia. Możemy specjalnie zmienić oddziaływania między cząstkami na komputerze i w ten sposób stworzyć albo całkowicie chaotyczny system, albo taki, który w ogóle nie wykazuje chaosu – lub cokolwiek pomiędzy. To obecność chaosu decyduje o tym, czy stan kwantowy przykładowej cząstki wykazuje rozkład temperatury Boltzmanna, czy nie. prof. Iva Brezinova

Przeprowadzone badania są jednymi z pierwszych na świecie, które wykazały wzajemne oddziaływanie trzech ważnych teorii fizycznych.