Странные правила температуры становятся еще более странными в квантовом мире

Ниже приводится выдержка из нашего информационного бюллетеня «Затерянные в пространстве-времени». Каждый месяц мы погружаемся в увлекательные идеи со всей Вселенной. Ты можешь зарегистрируйтесь на «Затерянные в пространстве-времени» здесь.

Одна из самых абсурдных вещей в науке заключается в том, что вы можете потратить годы на изучение и чтение о глубочайших загадках Вселенной – темной материи, квантовой гравитации, природе времени – и все равно запутаться в чем-то обманчиво простом. Нобелевский лауреат физик-теоретик Ричард Фейнман как известно, признался, что, будучи студентом, он не совсем понимал, почему зеркала переворачивают изображения слева направо, а не вверх и вниз. Я не Фейнман; Я знаю как работают зеркала. Но у меня были свои собственные смиренные расчеты с очевидным: температурой.

Мы знали, что вещи могут быть горячими или холодными с тех пор, как первый пещерный ребенок сунул руку в огонь и на него накричал обеспокоенный родитель. Но то, что мы подразумеваем под температурой, сильно изменилось за столетия и продолжает развиваться сегодня, поскольку физики загоняют его в более странные, квантовые углы.

Лично я столкнулся с этим благодаря своему партнеру, который однажды спросил: “Моя прекрасная и потрясающе умная жена, разве ты не изучала физику? Тогда скажи мне, может ли отдельная частица иметь температуру?” Возможно, я немного перефразирую, но, по сути, это был его вопрос.

Теперь его первоначальная догадка оказалась верной: нет, не может, не совсем так. Большинство энтузиастов науки знают, что температуру нельзя приписать одной частице. Вопрос о горячем и холодном имеет смысл только как свойство систем со многими-многими частицами – такими, как газонаполненные поршни, кофейники с кофе или звезды. Это потому, что температура, как мы ее обычно определяем, является своего рода сокращением. Он фиксирует среднюю энергию микроскопических компонентов системы после того, как они отскочили и равномерно распределили свою энергию, достигнув состояния, известного как равновесие.

Представьте себе это как лестницу, каждая ступенька которой представляет отдельный энергетический уровень. Чем выше ступенька, тем больше энергии имеет частица. Когда есть много частицымы ожидаем, что они будут предсказуемо распределены по ступеням. Большинство частиц оседают внизу, у некоторых достаточно энергии, чтобы подняться на одну ступеньку выше, и у немногих — выше. Результатом является плавное уменьшение количества частиц по мере подъема по лестнице.

Но почему мы определяем температуру именно так? Конечно, это среднее значение, но в математике нет ничего, что запрещало бы нам брать среднее значение набора данных с одной точкой. Если в комнате есть один высокий человек, мы не моргнем глазом назовем средний рост людей в этой комнате 6 футов. Почему бы не сделать то же самое здесь?

Это потому, что температура не просто описательная, она прогнозирующая. Для ученых, пытавшихся использовать силу топлива, огня и пара в 17 и 18 веках, температура была наиболее полезной, чтобы рассказать им, что произойдет при взаимодействии двух систем.

Именно это привело к появлению нулевого закона термодинамики, последнего из установленных законов, но самого фундаментального. Это выглядит следующим образом: если термометр достигает 80°C в чашке теплой воды, а также достигает 80°C в чашке теплого молока, то если мы смешаем две жидкости, между ними не должно быть чистого теплообмена. Это может показаться очевидным и даже банальным, но это основа классической термометрии.

И это справедливо только потому, что большие системы ведут себя статистически стабильно. Крошечные колебания энергии между конкретными частицами размываются, и закон больших чисел позволяет нам записывать обобщаемые результаты.

В этом отношении термодинамика странна. В отличие, скажем, от законов движения Исаака Ньютона, которые прекрасно работают как для одного падающего яблока, так и для тысячи, термодинамические законы проявляются только в масштабе. Они полагаются на средние значения, ансамбли и математическую магию, которая происходит, когда количество частиц достигает миллиардов.

Итак: отдельные частицы не имеют температуры. Дело закрыто.

Или я так думал. Но как только я почувствовал, что готов двигаться дальше, физика бросила мне вызов. Первый явный признак того, что ситуация вот-вот станет действительно странной, заключается в том, что многие квантовые системы состоят из очень небольшого числа частиц, которые никогда не обладают стабильными свойствами.

Крошечные системы – такие как отдельные атомы или сингулярные спины – могут оказаться в ловушках состояний, которые никогда по-настоящему не стабилизируются. Некоторые из них даже намеренно созданы так, чтобы полностью сопротивляться мирному состоянию равновесия. Итак, если предполагается, что температура описывает то, что происходит после того, как все успокаивается, то не разваливается ли наше определение температуры?

Физики упорно работали над температура переоснащения от фундамента вверхучитывая, что вообще означает наличие температуры в квантовом мире.

В том же духе, что и пионеры термодинамикаИсследователи теперь задаются вопросом не о том, что такое температура, а о том, что она делает. Если мы возьмем квантовую систему и соединим ее с чем-то еще, в каком направлении будет двигаться тепло? Может ли система нагреть соседа? Может ли оно охладить его?

В квантовом мире ответ может быть и тем и другим! Давайте вернемся к температурной лестнице, по которой могут подняться частицы. В классическом мире правила температуры здесь просты. При взаимодействии двух лестниц (двух систем) энергия всегда перетекает от системы с большим количеством частиц на более высоких ступенях к системе с меньшим количеством частиц.

Но квантовая система не подчиняется тем же правилам. Квантовые системы могут не иметь частиц на нижней ступеньке, а вместо этого все они будут сосредоточены на более высоких ступенях. Они могли иметь неоднородное распределение частиц, одинаково распределенных по всем ступеням. Суперпозиция также позволяет частицам существовать между ступенями. Когда квантовая механика вступает в игру, наша лестница больше не является тем, что физики называют «термически упорядоченным».

Из-за этого трудно предсказать, как будет течь тепло, если одна лестница с чем-то вступит во взаимодействие. Чтобы справиться с этим, физики разработали любопытное решение: пусть квантовые системы имеют две температуры. Представьте себе своего рода эталонную лестницу, которая представляет собой простую тепловую систему. Одна температура говорит вам о самой горячей лестнице, от которой ваша система все еще может отводить тепло. Другой сообщает вам самую холодную лестницу, до которой ваша система может нагреться. За пределами этой скобки тепло течет в предсказуемом направлении, но внутри нее результат зависит от точной природы квантовой системы. Это новый нулевой закон термодинамики, который может помочь нам восстановить логику потоков тепла в квантовом мире.

Эти две границы отражают потенциал системы отдавать или брать энергию, независимо от того, находится ли она в состоянии равновесия. Важно отметить, что эти температуры зависят не только от энергии, но и от того, как эта энергия структурирована: как квантовые частицы или состояния распределяются по энергетическим уровням и какие переходы поддерживает вся система.

И, как и их термодинамические предшественники, квантовые физики заинтересованы в том, чтобы их системы работали. Представьте себе два атома, которые запутанный – их свойства настолько тесно коррелируют, что измерение одного влияет на другое. Теперь подвергните воздействию окружающей среды один атом. Когда этот атом получает или теряет энергию, он тянет за собой невидимую квантовую связь, соединяющую пару. Разрушение или ухудшение этой связи имеет свою цену, как если бы вы разорвали натянутую резинку. Это создает поток тепла, которого не было бы без квантовой связи, которую затем можно использовать – соединяя атом с крошечным квантовым «поршенем» – для выполнения работы, пока запутанность не будет израсходована. Назначая горячую и холодную эффективные температуры любому квантовому состоянию, исследователи могут определить, когда система может надежно передавать тепло, извлекать работу или выполнять такие задачи, как охлаждение и вычисления.

Если вы зашли так далеко, вот мое признание: я спорил со своим партнером, что отдельная частица может иметь температуру, несмотря на то, что его интуиция была верна. Из-за того, что я был неудачником, я погрузился в огромную кроличью нору – и в конце концов я обнаружил, что мы оба в каком-то смысле правы. Одна частица не может иметь а температуры, но их может быть две.

Темы:

• квантовая физика/
• Затерянный в пространстве-времени