دکتر حسن بلوری،
برلین، ۲۰۲۵٫۰۲٫۱۰
The origin of natural processes
Quantum thermodynamics
تجربیات روزمرهٔ ما نشان از برگشت‌ناپذیری پروسه‌های طبیعی و جهت‌دار بودن زمان دارد. آیا این امر بنیادی است؟ یعنی، آیا برگشت‌ناپذیری پروسه‌ها و نامتقارن بودن زمان در زیربنای کوانتومی، در ترمودینامیک کوانتومی، نیز صحت دارد؟
فشرده
یکی از قوانین یا اصول معروف دنیای طبیعی ـ ماکروسکپی حاصل از نجربه، قانون دوم علم ترمودینامیک و مکانیک آماری است. این قانون می‌گوید: آنتروپی (اتلاف انرژی) یک سیستمِ بسته‌ی ترمودینامیکیِ، با گذشتِ زمان تا رسیدن به بالاترین تراز، یعنی تا رسیدن سیستم به تعادل کامل، افزایش می‌یابد. با این حال، این قانونِ تجربیِ بسیار مهم و مورد استفاده در عرصه‌های گوناگونِ علوم طبیعی و فنی هیچ اثبات نظری ندارد.
در واقع، عبارتِ “… با گذشت زمان تا رسیدن به تعادل کامل …” در قانون فوق معنایی جز این ندارد که فرایندهای طبیعی ترمودینامیکی در سیستم‌های بسته برگشت‌ناپذیر، یکسویه و در نتیجه دارای جهت زمان روشن و نامتقارن است.
در اینجا این پرسش مطرح است که آیا قانون دوم و همین‌طور دو قانون دیگر علم ترمودینامیک کلاسیک که اکنون بیش از یک قرن و نیم تاریخ دارند در نظریه کوانتومی نیز تایید می‌شوند و آیا استدلال نظری آنها در این نظریه وجود دارد؟
در این مقاله می‌خواهیم پس از توضیحات اولیه در پیشگفتار، به قوانین ترمودینامیک در نظریه کوانتومی به نام ’نظریه ترمودینامیک کوانتومی‘، در حدِ آشنایی اولیه بپردازیم و به‌بینیم که آیا شرایط کوانتومی، مانند همدوسی۲، برهم‌نهی، انسجام و درهم‌تنیدگی، تغییراتی در بازگشت‌ناپذیری پروسه‌های طبیعی ترمودینامیکی و جهت زمان ایجاد می‌کنند یا خیر.
پیشگفتار
میدانِ اثر گرما در حوزه ماکروسکپی ـ کیهانی (کلاسیک) تا حدود زیادی شناخته شده است. اما در حوزه میکروسکپی (کوانتومی) چنین نمی‌باشد. از این‌رو در این مقاله برآنیم به مفهوم‌های ترمودینامیک کلاسیک، مانند گرما، کار، دما در نظریه کوانتوم که با نوسانات و اتفاقات اجتناب‌ناپذیر همراه است آشنا شویم.
نظریه گرما در حوزه کلاسیک، تقریبن در همه‌‌ی زمینه‌‍‌های علمی و فنی آن بسیار موفق است. با این وجود مبانی آن هنوز مورد بحث است. یک نمونه، قانون دوم ترمودینامیک به‌ویژه در رابطه با مسئله تقارن زمان و برگشت‌پذیری فرایندهاست.
تفاوت اصلی بین ترمودینامیک کلاسیک و ترمودینامیک کوانتومی به‌طور عمده در ابعاد و کاربردهای آنهاست. از دیدگاه ماکروسکپی، ترمودینامیک کلاسیک با پیش‌فرضِ ذرات به شکل نقطه‌ای، نظریه‌ای کامل محسوب می‌شود. در حالی‌که همین نظریه از دیدگاه کوانتومی یک نظریه ناکامل تلقی می‌شود.
ترمودینامیک کلایسک با قوانین و متغیرهای پیوسته و سیستم‌های پیچیده سر و کار دارد. متغیرها در اینجا فقط نوسانات جزئی حول میانگین را نشان می‌دهند. در صورتی‌که در ترمودینامیک کوانتومی سیستم‌هایی با حالت‌های ناپیوسته و ویژگی‌هایی مانند برهم‌نهی، انسجام، همدوسی و درهم‌تنیدگی‌های مکانیکی کوانتومی مطرح هستند. در این نوع سیستم‌ها نوسانات حول میانگین از اهمیت بسیار بالایی برخوردار هستند. به این دلیل که زمان واهلش (relaxation time) کوتاه است و فعل و انفعالات کوچک می‌توانند اثرات بزرگی داشته باشند. (زمان واهلش در فیزیک به معنای زمان لازم برای برگشت دوباره یک سیستم مختل شده به حالت تعادل است.)
در ترمودینامیک کوانتومی برخلاف مکانیک آماری، تمرکز روی فرایندهای پویا خارج از حالت تعادل به‌عنوان منابع است. در این رابطه مهم است نشان داده شود که:
“با در نظر گرفتن منابع مجانبیِ ناچیز، برگشت‌پذیری در ناحیه‌ی حالت‌های خالص امکان‌پذیر (قابل بازیابی) است. … از آنجاکه انسجام کوانتومی نسبت به نویز (nois) حساس است، لازمه‌ی برگشت‌پذیری از بین نرفتن انسجام کوانتومی در حین فرایندهای ترمودینامیکی می‌باشد.”۱
نظریه ترمودینامیک کوانتومی توضیح می‌دهد که چگونه سیستم‌های کوانتومیِ باز تبادل انرژی می‌کنند، چگونه بر مفهوم‌های دما و کار تاثیر می‌گذارند و چگونه در طول زمان به تعادل ترمودینامیکی نزدیک می‌شوند. و بالاخره نشان می‌دهد که چگونه قوانین ترمودینامیکی کلاسیک شکل می‌گیرند. به این ترتیب، نظریه ترمودینامیک کوانتومی امکان فهم بهتر و عمیق‌ترِ طرزِ کارِ گیتی و فرایندهای طببعی را امکان‌پذیر می‌کند. پرسشی که در این رابطه مطرح می‌باشد این است، چگونه می‌توان تعیین کرد که ذرات خاصیت ترمودینامیک کوانتومی دارند؟:
وقتی ذرات برخوردار از ویژگی‌های کوانتومی باشند، لازم است این ویژگی‌‌ها را هم در رفتار ترمودینامیکی خود نشان دهند. به‌صورت نظری نشان داده می‌شود۳و۴ که دو ذره همدوس یا کوانتوم مکانیکی درهم‌تنیده با تابع موج مشترک در تماس با محیط گرم‌تر (یا سردتر) گرما را به‌طور قابل توجهی سریع‌تر از دو ذره‌ی کلاسیک هدایت می‌کنند.
******
برای مطالعه متن کامل نوشته با فرمت پی دی اف لطفا اینجا کلیک کنید
******
به کانال تلگرام سایت ملیون ایران بپیوندید