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实验检测介观量子系统中的熵产生

2019-02-01 21:59:19来源:

由于热力学第二定律,熵的产生,即增加系统中的无序程度,是宏观世界中的必然趋势。这使得经典物理学描述的过程不可逆转,并且通过扩展,对时间流动施加了方向。然而,这种趋势并不一定适用于由量子力学支配的微观世界。量子物理定律在时间上是可逆的,因此在微观世界中,现象的流动没有优先方向。

当代科学研究最重要的目标之一是确切地知道从量子世界到经典世界的转变发生的位置以及它发生的原因 - 换句话说,找出使熵的产生占主导地位的原因。这个目标解释了目前对研究介观系统的兴趣,介观系统不像单个原子那么小,但仍然显示明确定义的量子行为。

来自巴西和其他地方的研究人员进行的一项新实验研究为该领域做出了重要贡献。有关它的文章最近发表在Physical Review Letters上。

“我们研究了两个系统:一个玻色 - 爱因斯坦凝聚体,其中有100,000个原子被限制在一个空腔中,一个光机械腔将光限制在两个反射镜之间,”圣保罗大学物理研究所(IF-USP)教授Gabriel Teixeira Landi说,告诉。

Landi是负责开发理论模型的科学家之一,该理论模型将熵的产生与两个实验的可测量量相关联。该研究得到了圣保罗研究基金会 - FAPESP的支持。Bose-Einstein凝析油在瑞士联邦理工学院(苏黎世联邦理工学院)进行了研究,并在奥地利维也纳大学研究了腔光机械装置。

通常称为“物质的第五状态”(其他四种是固体,液体,气体和等离子体),当一组原子被冷却到几乎绝对零时,获得玻色 - 爱因斯坦凝聚物。在这些条件下,粒子不再具有相对于彼此移动的自由能,并且它们中的一些进入相同的量子态,变得彼此难以区分。然后原子遵循所谓的玻色 - 爱因斯坦统计,这通常适用于相同的粒子。在玻色 - 爱因斯坦凝聚体中,整个原子团表现为单个粒子。

光机械腔基本上是光阱。在这种特殊情况下,其中一个镜子由能够机械振动的纳米膜组成。因此,该实验涉及光和机械振动之间的相互作用。在两个系统中,有两个储存器,一个是热的,另一个是冷的,因此热量可以从一个流到另一个。

“这两种情况都表现出不可逆转的特征,因此证明了熵的增加。此外,由于量子效应,它们表现出不可逆转性,”兰迪说。“实验允许将经典效应与量子波动明确区分开来。”

这一系列研究的主要困难是无法直接测量熵产生。因此,在所讨论的实验中,科学家必须建立熵产生与其他现象之间的理论关系,这些现象表明不可逆转并且可以直接测量。在这两种情况下,他们都选择测量从腔体中泄漏的光子,故意使用半透明镜子以允许一些光线逃逸。

他们测量了腔内光子的平均数量和振动镜情况下的机械变化。

“量子波动导致两个实验中不可逆性增加,”兰迪说。“这是一个违反直觉的发现。它不一定是可以推广的东西。它发生在这两种情况下,但它可能在其他情况下无效。我认为这两个实验是在这种平台上重新考虑熵的初步努力。例如,他们为少数铷原子甚至更小的光机械腔进一步试验打开了大门。“

信息丢失和混乱

在最近的理论研究中,兰迪展示了经典波动(原子和分子的振动,产生热能)和量子波动如何同时发生,而不一定有助于产生相同的结果。这项研究是两项新实验的先行者。

“冷凝物和光限制腔都是介观现象。然而,与其他介观现象不同,由于屏蔽环境,它们具有完美的量子特性。因此,它们提供了经典和量子之间熵产生竞争的受控情况。可以非常清楚地观察到现象,“兰迪说。

“熵可以用各种方式解释。如果我们从信息的角度来考虑,熵的增加意味着信息的丢失。从热力学的角度来看,熵测量了无序的程度。熵越大,紊乱越大。通过结合这两种观点,我们可以更全面地了解这一现象。“

玻色 - 爱因斯坦凝聚体和光机械腔都是所谓的“量子模拟平台”的例子。

这些平台使科学家能够规避知识进步的主要障碍,因为存在着重要的系统,其中存在描述性模型但由于计算困难而无法进行预测。

最着名的例子是高温超导性。没有人理解某些材料在液氮沸点(约-196°C)下如何表现为超导体。

新平台提供可以模拟这些系统的量子设备。然而,他们以受控的方式这样做,消除所有复杂的因素,并只关注最简单的感兴趣的现象。

“这种量子模拟的想法近年来已经有了很大的发展。模拟的范围从医学中的重要分子到宇宙学的关键结构,”兰迪说。