Produktionen av entropi, vilket innebär att öka graden av störning i ett system, är en obönhörlig tendens i den makroskopiska världen på grund av termodynamikens andra lag. Detta gör de processer som beskrivs av klassisk fysik irreversibla och, i förlängningen, lägger en riktning på tidens flöde. Dock, tendensen gäller inte nödvändigtvis i den mikroskopiska världen, som styrs av kvantmekaniken. Kvantfysikens lagar är reversibla i tiden, så i den mikroskopiska världen, det finns ingen preferens för flödet av fenomen.

Ett av de viktigaste syftena med samtida vetenskaplig forskning är att veta exakt var övergången sker från kvantvärlden till den klassiska världen och varför den sker – med andra ord, ta reda på vad som gör att produktionen av entropi dominerar. Detta syfte förklarar det nuvarande intresset för att studera mesoskopiska system, som inte är lika små som enskilda atomer men ändå uppvisar väldefinierat kvantbeteende.

En ny experimentell studie av forskare från Brasilien och på andra håll ger ett viktigt bidrag till detta område. En artikel om det har nyligen publicerats i Fysiska granskningsbrev .

"Vi studerade två system:ett Bose-Einstein-kondensat med 100, 000 atomer inneslutna i en kavitet och en optomekanisk kavitet som begränsar ljus mellan två speglar, " Gabriel Teixeira Landi, en professor vid University of São Paulo's Physics Institute (IF-USP), berättade.

Landi var en av forskarna som ansvarade för att utveckla en teoretisk modell som korrelerar produktionen av entropi med mätbara kvantiteter för båda experimenten. Forskningen stöds av São Paulo Research Foundation—FAPESP. Bose-Einstein-kondensatet studerades vid Swiss Federal Institute of Technology (ETH Zürich), och hålrumsoptomekaniken studerades vid universitetet i Wien i Österrike.

Kallas ofta "materiens femte tillstånd" (de andra fyra är fasta ämnen, vätskor, gaser och plasma), Bose-Einstein-kondensat erhålls när en grupp atomer kyls nästan till absolut noll. Under dessa omständigheter, partiklarna har inte längre den fria energin att röra sig i förhållande till varandra, och några av dem går in i samma kvanttillstånd, blir omöjliga att skilja från varandra. Atomerna lyder då så kallad Bose-Einstein-statistik, som vanligtvis gäller identiska partiklar. I ett Bose-Einstein-kondensat, hela gruppen av atomer beter sig som en enda partikel.

En optomekanisk kavitet är i grunden en ljusfälla. I detta speciella fall, en av speglarna bestod av ett nanometriskt membran som kunde vibrera mekaniskt. Således, experimentet involverade interaktioner mellan ljus och mekanisk vibration. I båda systemen, det fanns två reservoarer, den ena varm och den andra kall, så att värme kunde strömma från den ena till den andra.

"Båda situationerna visade signaturer för något oåterkalleligt och visade därför en ökning av entropin. Dessutom, de uppvisade irreversibilitet som en konsekvens av kvanteffekter, ", sade Landi. "Experimenten gjorde det möjligt att tydligt skilja klassiska effekter från kvantfluktuationer."

Den största svårigheten i denna forskningslinje är att entropiproduktion inte kan mätas direkt. I de aktuella experimenten, därför, forskarna var tvungna att konstruera ett teoretiskt förhållande mellan entropiproduktion och andra fenomen som signalerar irreversibilitet och är direkt mätbara. I båda fallen, de valde att mäta fotoner som läcker från hålrummen, ha medvetet använt halvtransparenta speglar för att låta lite ljus släppa ut.

De mätte det genomsnittliga antalet fotoner inuti kaviteterna och de mekaniska variationerna i fallet med den vibrerande spegeln.

"Kvantfluktuationer bidrog till en ökning av irreversibiliteten i båda experimenten, ", sa Landi. "Detta var en kontraintuitiv upptäckt. Det är inte nödvändigtvis något som kan generaliseras. Det hände i dessa två fall, men det kanske inte är giltigt i andra. Jag ser dessa två experiment som ett första försök att tänka om entropi på den här typen av plattform. De öppnar dörren för ytterligare experiment med ett mindre antal rubidiumatomer eller ännu mindre optomekaniska hålrum, till exempel."

Informationsförlust och oordning

I en nyligen genomförd teoretisk studie, Landi visade hur klassiska fluktuationer (vibrationer av atomer och molekyler, producerar termisk energi) och kvantfluktuationer kan inträffa samtidigt, utan att nödvändigtvis bidra till samma resultat. Den studien var en föregångare till de två nya experimenten.

"Både kondensatet och den ljusbegränsande kaviteten var mesoskopiska fenomen. till skillnad från andra mesoskopiska fenomen, de hade perfekt bevarade kvantegenskaper tack vare avskärmning från miljön. De, därför, tillhandahöll kontrollerade situationer där entropiproduktionskonkurrens mellan klassiska fenomen och kvantfenomen kunde observeras mycket tydligt, sa Landi.

"Entropi kan tolkas på olika sätt. Om vi ​​tänker i termer av information, en ökning av entropin innebär förlust av information. Ur termodynamikens synvinkel, entropi mäter graden av störning. Ju större entropin, desto större störning i systemet. Genom att kombinera dessa två synpunkter, vi kan få en mer omfattande förståelse av fenomenet."

Både Bose-Einstein-kondensatet och den optomekaniska kaviteten är exempel på så kallade "kvantsimuleringsplattformar". Dessa plattformar gör det möjligt för forskare att kringgå ett stort hinder för kunskapsutveckling eftersom det finns viktiga system i naturen för vilka det finns beskrivande modeller men för vilka förutsägelser inte kan göras på grund av beräkningssvårigheter. Det mest kända exemplet är supraledning vid hög temperatur. Ingen förstår hur vissa material kan bete sig som supraledare vid kokpunkten för flytande kväve (ungefär -196°C).

De nya plattformarna tillhandahåller kvantenheter som kan simulera dessa system. Dock, de gör det på ett kontrollerat sätt, eliminera alla komplicerande faktorer, och fokusera bara på de enklaste fenomenen av intresse. "Den här idén om kvantsimulering har fångats avsevärt de senaste åren. Simuleringarna sträcker sig från viktiga molekyler inom medicin till nyckelstrukturer inom kosmologi, sa Landi.