Es ist eines der wichtigsten Naturgesetze, die wir kennen: Das berühmte zweite Gesetz der Thermodynamik besagt, dass die Welt immer mehr ungeordnet wird, wenn zufällige Chance im Spiel ist. Oder um genau auszudrücken: Diese Entropie muss in jedem geschlossenen System zunehmen. Bestellte Strukturen verlieren ihre Bestellung, regelmäßige Eiskristalle verwandeln sich in Wasser, Porzellanvasen werden in Scherben zerlegt. Auf den ersten Blick scheint sich die Quantenphysik jedoch nicht wirklich an diese Regel zu halten: Mathematisch gesehen bleibt die Entropie in Quantensystemen immer gleich.
Ein Forschungsteam von Tu Wien hat sich diesen offensichtlichen Widerspruch näher genauer angeschaut und konnte zeigen: Es hängt davon ab, welche Art von Entropie Sie sich ansehen. Wenn Sie das Konzept der Entropie so definieren, dass es mit den grundlegenden Ideen der Quantenphysik kompatibel ist, gibt es keinen Widerspruch mehr zwischen Quantenphysik und Thermodynamik. Die Entropie steigt auch anfänglich anfänglich geordnete Quantensysteme, bis sie einen endgültigen Zustand der Störung erreicht.
Entropie und Zeitrichtung
Die Gleichstellung von ‚Entropie‘ mit ‚Störung‘ ist nicht ganz korrekt. Schließlich kann das, was Sie durch „Störung“ verstehen, subjektiv sein, aber die Entropie kann klar mit mathematischen Gleichungen definiert werden.
„Entropie ist ein Maß dafür, ob sich ein System in einem besonderen, ganz bestimmten Zustand befindet. In diesem Fall hat das System eine geringe Entropie oder ob es in einem von vielen Zuständen mehr oder weniger gleich aussieht. In diesem Fall hat es hoch Entropie „, erklärt Prof. Marcus Huber vom Institut für atomare und subatomische Physik bei Tu Wien. Wenn Sie mit einem ganz bestimmten Zustand beginnen, zum Beispiel eine Schachtel voller Bälle, die genau nach Farbe sortiert werden, entwickelt sich im Laufe der Zeit ein gemischter Zustand mit höherer Entropie. Wenn Sie die Box ein wenig schütteln. Dies liegt einfach daran, dass nur wenige geordnete Zustände existieren, aber viele, die ähnlich ungeordnet sind.
„Aus physischer Sicht definiert dies die Richtung der Zeit“, sagt Max Lock (Tu Wien). „In der Vergangenheit war die Entropie niedriger; die Zukunft ist die Entropie höher.“ Die Quantenphysik begegnet hier jedoch ein Problem: Der Mathematiker und Physiker John von Neumann konnte zeigen: Nach den Gesetzen der Quantenphysik kann sich die Entropie in einem Quantensystem überhaupt nicht ändern. Wenn Sie die vollständigen Informationen zu einem Quantensystem haben, bleibt die sogenannte „von Neumann-Entropie“ immer gleich; Es ist unmöglich zu sagen, ob die Zeit vorwärts oder rückwärts läuft, jeder Zeitpunkt ist physisch so gut wie jeder andere.
Wir kennen immer nur einen Teil der Informationen
„Aber diese Ansicht lässt etwas Wichtiges aus“, sagt Tom Rivlin (Tu Wien). „In der Quantenphysik können Sie nie vollständige Informationen über ein System haben. Wir können eine Eigenschaft des von uns messen Geschwindigkeit.
Auch wenn wir die Wahrscheinlichkeiten kennen, bleibt das tatsächliche Ergebnis einer spezifischen Messung eine Überraschung. Dieses Überraschungselement muss in die Definition der Entropie einbezogen werden. Anstatt die von Neumann -Entropie für den vollständigen Quantenzustand des gesamten Systems zu berechnen, können Sie eine Entropie für ein spezifisches beobachtbares berechnen. Ersteres würde sich nicht mit der Zeit ändern, aber letzteres könnte.
Diese Art von Entropie heißt „Shannon Entropy“. Es hängt von den Wahrscheinlichkeiten ab, mit denen unterschiedliche mögliche Werte gemessen werden. „Man könnte sagen, dass Shannon Entropy ein Maß dafür ist, wie viele Informationen Sie aus der Messung erhalten“, sagt Florian Meier (Tu Wien). „Wenn es nur ein mögliches Messergebnis gibt, das mit einer Gewissheit von 100% auftritt, ist die Shannon -Entropie Null. Sie werden vom Ergebnis nicht überrascht sein, Sie lernen nichts daraus. Wenn es viele mögliche Werte mit ähnlicher Weise gibt Große Wahrscheinlichkeiten, dann ist die Shannon -Entropie groß. „
Die Quantenstörung nimmt schließlich zu
Das Forschungsteam konnte nun nachweisen, dass diese Art von Entropie in einem geschlossenen Quantensystem zunimmt, wenn Sie mit einem Zustand mit niedriger Shannon -Entropie beginnen, bis es einen Maximalwert rund um einen Maximalwert – genau wie aus der Thermodynamik in Klassik bekannt ist Systeme. Je mehr Zeit vergeht, desto unklarer werden die Messergebnisse und je größer die Überraschung, die bei der Beobachtung erlebt werden kann. Dies wurde nun mathematisch bewiesen und auch durch Computersimulationen bestätigt, die das Verhalten mehrerer interagierender Partikel beschreiben.
„Dies zeigt uns, dass das zweite Gesetz der Thermodynamik auch in einem Quantensystem zutrifft, das vollständig aus seiner Umgebung isoliert ist. Sie müssen nur die richtigen Fragen stellen und eine geeignete Definition der Entropie verwenden“, sagt Marcus Huber.
Wenn Sie Quantensysteme untersuchen, die aus sehr wenigen Partikeln bestehen (z. B. ein Wasserstoffatom mit nur wenigen Elektronen), sind solche Überlegungen irrelevant. Aber heute, insbesondere in Bezug auf moderne technische Anwendungen der Quantenphysik, stehen wir häufig vor der Herausforderung, Quantensysteme zu beschreiben, die aus vielen Partikeln bestehen. „Um so viele Partikelsysteme zu beschreiben, ist es wichtig, die Quantentheorie mit der Thermodynamik in Einklang zu bringen“, sagt Marcus Huber. „Deshalb möchten wir auch unsere Grundlagenforschung nutzen, um die Grundlage für neue Quantentechnologien zu legen.“
