Fysiker har utökat en av de mest framträdande fluktuationssatserna inom klassisk stokastisk termodynamik, Jarzynskis jämställdhet, till kvantfältteori. Eftersom kvantfältteori anses vara den mest grundläggande teorin inom fysiken, resultaten gör att kunskapen om stokastisk termodynamik kan tillämpas, för första gången, över hela spektrumet av energi- och längdskalor.

fysikerna, Anthony Bartolotta, en doktorand vid Caltech, och Sebastian Deffner, Fysikprofessor vid University of Maryland Baltimore County, har skrivit en artikel om Jarzynski equality for quantum field theories som kommer att publiceras i ett kommande nummer av Fysisk granskning X .

Arbetet tar upp en av de största utmaningarna inom fundamental fysik, som ska bestämma hur den klassiska termodynamikens lagar kan utvidgas till kvantskalan. Att förstå arbete och värmeflöde på nivån av subatomära partiklar skulle gynna ett brett spektrum av områden, från att designa material i nanoskala till att förstå utvecklingen av det tidiga universum.

Som Bartolotta och Deffner förklarar i sin tidning, i motsats till de stora språng som gjorts i den klassiska och kvantmekanikens "mikroskopiska teorier" under det senaste århundradet, termodynamikens utveckling har varit ganska stillastående under den tiden.

Även om termodynamiken ursprungligen utvecklades för att beskriva förhållandet mellan energi och arbete, teorin gäller traditionellt bara system som förändras oändligt långsamt. 1997, fysikern Christopher Jarzynski vid University of Maryland College Park introducerade ett sätt att utöka termodynamiken till system där värme- och energiöverföringsprocesser förekommer i alla fall. Fluktuationssatserna, den mest framträdande av dem kallas nu Jarzynski-jämlikheten, har gjort det möjligt att förstå termodynamiken hos ett bredare spektrum av mindre, men fortfarande klassisk, system.

"Termodynamik är en fenomenologisk teori för att beskriva det genomsnittliga beteendet för värme och arbete, " berättade Deffner Phys.org . "Ursprungligen designad för att förbättra stora, illaluktande värmemotorer, det var inte kapabelt att beskriva små system och system som fungerar långt ifrån jämvikt. Jämlikheten i Jarzynski breddade dramatiskt termodynamikens omfattning och lade grunden för stokastisk termodynamik, som är en ny och mycket aktiv forskningsgren."

Stokastisk termodynamik behandlar klassiska termodynamiska begrepp som arbete, värme, och entropi, men på nivån av fluktuerande banor för atomer och molekyler. Denna mer detaljerade bild är särskilt viktig för att förstå termodynamik i småskaliga system, vilket också är området för olika framväxande tillämpningar.

Det var inte förrän ett decennium till, dock, tills Jarzynskis jämlikhet och andra fluktuationssatser utvidgades till kvantskalan, åtminstone upp till en punkt. Under 2007, forskare fastställde hur kvanteffekter ändrar den vanliga tolkningen av arbete. Dock, många frågor kvarstår och överlag, området för kvantstokastisk termodynamik är fortfarande ofullständigt. Mot denna bakgrund, resultaten av den nya studien utgör ett betydande framsteg.

"Nu, under 2018 har vi tagit nästa stora steg framåt, " Deffner sade. "Vi har generaliserat stokastisk termodynamik till kvantfältteorier (QFT). I en viss mening har vi utökat den stokastiska termodynamiken till dess yttersta giltighetsområde, eftersom QFT är designad för att vara den mest grundläggande teorin inom fysiken."

En av nycklarna till framgången var att utveckla en helt ny grafteoretisk metod, vilket gjorde det möjligt för forskarna att klassificera och kombinera Feynman-diagrammen som användes för att beskriva partikelbeteende på ett nytt sätt. Mer specifikt, tillvägagångssättet gör det möjligt att exakt beräkna oändliga summor av alla möjliga permutationer (eller arrangemang) av frånkopplade underdiagram som beskriver partikelbanorna.

"Mängden vi var intresserade av, arbetet, är annorlunda än de kvantiteter som vanligtvis beräknas av partikelteoretiker och kräver därför ett annat tillvägagångssätt, sa Bartolotta.

Fysikerna förväntar sig att resultaten kommer att tillåta andra forskare att tillämpa fluktuationssatserna på en mängd olika problem i fysikens framkant, som i partikelfysik, kosmologi, och den kondenserade materiens fysik. Detta inkluderar att studera saker som kvantmotorer, grafens termodynamiska egenskaper, och kvarggluonplasman som produceras i tunga jonkolliderar – några av de mest extrema förhållanden som finns i naturen.

I framtiden, fysikerna planerar att generalisera sitt förhållningssätt till ett större antal kvantfältsteorier, vilket kommer att öppna upp ytterligare möjligheter.

© 2018 Phys.org