Fysikere forlænger stokastisk termodynamik dybere ind i kvanteområdet

Fysikere har udvidet en af ​​de mest fremtrædende udsvingsteorier i klassisk stokastisk termodynamik, Jarzynski -ligestillingen, til kvantefeltteori. Da kvantefeltteori anses for at være den mest fundamentale teori inden for fysik, resultaterne gør det muligt at anvende kendskabet til stokastisk termodynamik, for første gang, på tværs af hele skalaen af ​​energi og længde.

Fysikerne, Anthony Bartolotta, en kandidatstuderende ved Caltech, og Sebastian Deffner, Fysikprofessor ved University of Maryland Baltimore County, har skrevet et papir om Jarzynski -ligestilling for kvantefeltteorier, der vil blive offentliggjort i et kommende nummer af Fysisk gennemgang X .

Værket adresserer en af ​​de største udfordringer inden for grundlæggende fysik, som skal bestemme, hvordan lovene i klassisk termodynamik kan udvides til kvanteskalaen. At forstå arbejde og varmestrøm på niveau med subatomære partikler ville gavne en lang række områder, fra at designe nanoskala materialer til at forstå udviklingen i det tidlige univers.

Som Bartolotta og Deffner forklarer i deres papir, i modsætning til de store spring i de "mikroskopiske teorier" om klassisk og kvantemekanik i løbet af det sidste århundrede, udviklingen af ​​termodynamik har været temmelig stillestående over den tid.

Selvom termodynamik oprindeligt blev udviklet til at beskrive forholdet mellem energi og arbejde, teorien gælder traditionelt kun systemer, der ændrer sig uendeligt langsomt. I 1997, fysiker Christopher Jarzynski ved University of Maryland College Park introducerede en måde at udvide termodynamik til systemer, hvor varme- og energioverførselsprocesser forekommer i hvert fald. Svingningssætningerne, den mest fremtrædende, som nu kaldes Jarzynski -ligestilling, har gjort det muligt at forstå termodynamikken i et bredere spektrum af mindre, men stadig klassisk, systemer.

"Termodynamik er en fænomenologisk teori, der beskriver den gennemsnitlige opførsel af varme og arbejde, "Fortalte Deffner Phys.org . "Oprindeligt designet til at forbedre store, stinkende varmemotorer, den var ikke i stand til at beskrive små systemer og systemer, der fungerer langt fra ligevægt. Jarzynski -ligestillingen udvidede dramatisk omfanget af termodynamik og lagde grunden til stokastisk termodynamik, som er en ny og meget aktiv forskningsgren. "

Stokastisk termodynamik omhandler klassiske termodynamiske begreber som arbejde, varme, og entropi, men på niveau med svingende baner for atomer og molekyler. Dette mere detaljerede billede er særlig vigtigt for at forstå termodynamik i småskala systemer, hvilket også er området for forskellige nye applikationer.

Det var ikke i endnu et årti, imidlertid, indtil Jarzynski -lighed og andre udsvingsteorier blev udvidet til kvanteskalaen, i hvert fald op til et punkt. I 2007, forskere fastslog, hvordan kvanteeffekter ændrer den sædvanlige fortolkning af arbejde. Imidlertid, mange spørgsmål er stadig tilbage og generelt, området for kvantestokastisk termodynamik er stadig ufuldstændigt. På denne baggrund, resultaterne af den nye undersøgelse repræsenterer et betydeligt fremskridt.

"Nu, i 2018 har vi taget det næste store skridt fremad, "Deffner sagde." Vi har generaliseret stokastisk termodynamik til kvantefeltteorier (QFT). På en vis måde har vi udvidet stokastisk termodynamik til dens ultimative gyldighedsområde, da QFT er designet til at være den mest fundamentale teori inden for fysik. "

En af nøglerne til præstationen var at udvikle en helt ny grafteoretisk tilgang, som gjorde det muligt for forskerne at klassificere og kombinere Feynman -diagrammerne, der blev brugt til at beskrive partikeladfærd på en ny måde. Mere specifikt, tilgangen gør det muligt præcist at beregne uendelige summer af alle de mulige permutationer (eller arrangementer) af frakoblede underdiagrammer, der beskriver partikelbanerne.

"Den mængde, vi var interesseret i, arbejdet, er anderledes end de mængder, der normalt beregnes af partikelteoretikere og kræver derfor en anden tilgang, "Sagde Bartolotta.

Fysikerne forventer, at resultaterne vil give andre forskere mulighed for at anvende udsvingsteoreme på en lang række problemer i spidsen for fysik, såsom i partikelfysik, kosmologi, og kondenseret fysik. Dette inkluderer at studere ting som kvantemotorer, de termodynamiske egenskaber ved grafen, og kvarkgluonplasma produceret i tunge ionkolliderer - nogle af de mest ekstreme forhold, der findes i naturen.

I fremtiden, fysikerne planlægger at generalisere deres tilgang til en bredere vifte af kvantefeltteorier, hvilket vil åbne op for yderligere muligheder.

© 2018 Phys.org