實驗檢測介觀量子系統中的熵產生

由于熱力學第二定律，熵的產生，即增加系統中的無序程度，是宏觀世界中的必然趨勢。這使得經典物理學描述的過程不可逆轉，并且通過擴展，對時間流動施加了方向。然而，這種趨勢并不一定適用于由量子力學支配的微觀世界。量子物理定律在時間上是可逆的，因此在微觀世界中，現象的流動沒有優先方向。

當代科學研究最重要的目標之一是確切地知道從量子世界到經典世界的轉變發生的位置以及它發生的原因 - 換句話說，找出使熵的產生占主導地位的原因。這個目標解釋了目前對研究介觀系統的興趣，介觀系統不像單個原子那么小，但仍然顯示明確定義的量子行為。

來自巴西和其他地方的研究人員進行的一項新實驗研究為該領域做出了重要貢獻。有關它的文章最近發表在Physical Review Letters上。

“我們研究了兩個系統：一個玻色 - 愛因斯坦凝聚體，其中有100,000個原子被限制在一個空腔中，一個光機械腔將光限制在兩個反射鏡之間，”圣保羅大學物理研究所(IF-USP)教授Gabriel Teixeira Landi說，告訴。

Landi是負責開發理論模型的科學家之一，該理論模型將熵的產生與兩個實驗的可測量量相關聯。該研究得到了圣保羅研究基金會 - FAPESP的支持。Bose-Einstein凝析油在瑞士聯邦理工學院(蘇黎世聯邦理工學院)進行了研究，并在奧地利維也納大學研究了腔光機械裝置。

通常稱為“物質的第五狀態”(其他四種是固體，液體，氣體和等離子體)，當一組原子被冷卻到幾乎絕對零時，獲得玻色 - 愛因斯坦凝聚物。在這些條件下，粒子不再具有相對于彼此移動的自由能，并且它們中的一些進入相同的量子態，變得彼此難以區分。然后原子遵循所謂的玻色 - 愛因斯坦統計，這通常適用于相同的粒子。在玻色 - 愛因斯坦凝聚體中，整個原子團表現為單個粒子。

光機械腔基本上是光阱。在這種特殊情況下，其中一個鏡子由能夠機械振動的納米膜組成。因此，該實驗涉及光和機械振動之間的相互作用。在兩個系統中，有兩個儲存器，一個是熱的，另一個是冷的，因此熱量可以從一個流到另一個。

“這兩種情況都表現出不可逆轉的特征，因此證明了熵的增加。此外，由于量子效應，它們表現出不可逆轉性，”蘭迪說。“實驗允許將經典效應與量子波動明確區分開來。”

這一系列研究的主要困難是無法直接測量熵產生。因此，在所討論的實驗中，科學家必須建立熵產生與其他現象之間的理論關系，這些現象表明不可逆轉并且可以直接測量。在這兩種情況下，他們都選擇測量從腔體中泄漏的光子，故意使用半透明鏡子以允許一些光線逃逸。

他們測量了腔內光子的平均數量和振動鏡情況下的機械變化。

“量子波動導致兩個實驗中不可逆性增加，”蘭迪說。“這是一個違反直覺的發現。它不一定是可以推廣的東西。它發生在這兩種情況下，但它可能在其他情況下無效。我認為這兩個實驗是在這種平臺上重新考慮熵的初步努力。例如，他們為少數銣原子甚至更小的光機械腔進一步試驗打開了大門。“

信息丟失和混亂

在最近的理論研究中，蘭迪展示了經典波動(原子和分子的振動，產生熱能)和量子波動如何同時發生，而不一定有助于產生相同的結果。這項研究是兩項新實驗的先行者。

“冷凝物和光限制腔都是介觀現象。然而，與其他介觀現象不同，由于屏蔽環境，它們具有完美的量子特性。因此，它們提供了經典和量子之間熵產生競爭的受控情況。可以非常清楚地觀察到現象，“蘭迪說。

“熵可以用各種方式解釋。如果我們從信息的角度來考慮，熵的增加意味著信息的丟失。從熱力學的角度來看，熵測量了無序的程度。熵越大，紊亂越大。通過結合這兩種觀點，我們可以更全面地了解這一現象。“

玻色 - 愛因斯坦凝聚體和光機械腔都是所謂的“量子模擬平臺”的例子。

這些平臺使科學家能夠規避知識進步的主要障礙，因為存在著重要的系統，其中存在描述性模型但由于計算困難而無法進行預測。

最著名的例子是高溫超導性。沒有人理解某些材料在液氮沸點(約-196°C)下如何表現為超導體。

新平臺提供可以模擬這些系統的量子設備。然而，他們以受控的方式這樣做，消除所有復雜的因素，并只關注最簡單的感興趣的現象。

“這種量子模擬的想法近年來已經有了很大的發展。模擬的范圍從醫學中的重要分子到宇宙學的關鍵結構，”蘭迪說。