Физики расширяют термодинамику на квантовую территорию
Изображение: CC0 Creative Commons
Физики распространили одну из наиболее заметных флуктуационных теорем классической стохастической термодинамики, равенство Ярзинского, на квантовую теорию поля. Поскольку квантовая теория поля считается самой фундаментальной теорией в физике, результаты позволяют впервые применить знания о стохастической термодинамике во всем диапазоне значений энергии и длины.
Физики Антони Бартолотта, аспирант в Калтех и Себастьян Деффнер, профессор физики Университета Мэриленда в Балтиморе, написали статью о равенстве Ярзинского для квантовых теорий поля, которая будет опубликована в предстоящем выпуске Physical Review X.
Работа посвящена одной из самых больших проблем в фундаментальной физике, которая заключается в том, чтобы определить, как законы классической термодинамики могут быть расширены до квантовой шкалы. Понимание работы и теплового потока на уровне субатомных частиц принесет пользу широкому кругу областей — от разработки наноразмерных материалов до понимания эволюции ранней Вселенной.
Как объясняют Бартолотта и Деффнер в своей статье, в отличие от больших скачков, сделанных в «микроскопических теориях» классической и квантовой механики в течение прошлого столетия, развитие термодинамики за это время было довольно застойным.
Хотя термодинамика была первоначально разработана для описания взаимосвязи между энергией и работой, теория традиционно применяется только к системам, которые изменяются бесконечно медленно. В 1997 году физик Кристофер Ярзинский представил способ расширения термодинамики в системах, в которых процессы теплопередачи и энергии происходят в независимости от того, насколько быстро или медленно они происходят. Флуктуационные теоремы, наиболее заметные из которых теперь называют уравнением Ярзинского, позволили понять термодинамику более широкого диапазона меньших, но все же классических систем.
«Термодинамика — феноменологическая теория для описания поведения тепла и работы», — сказал Себастьян Деффнер. «Первоначально разработанная для улучшения больших, тепловых двигателей, она была не способна описывать небольшие системы и системы, которые действуют вдали от равновесия. Равенство Ярзинского резко расширило сферу термодинамики и заложило основу для стохастической термодинамики, которая является новой и очень активная отраслью исследований».
Стохастическая термодинамика связана с классическими термодинамическими понятиями, такими как работа, тепло и энтропия, но на уровне флуктуирующих траекторий атомов и молекул. Эта более детальная картина особенно важна для понимания термодинамики в мелкомасштабных системах, которая также является сферой различных новых приложений.
В 2007 году исследователи определили, как квантовые эффекты изменяют обычную интерпретацию работы. Тем не менее, многие вопросы остаются и в целом, область квантовой стохастической термодинамики все еще неполна. На этом фоне результаты нового исследования представляют значительный прогресс.
«Теперь, в 2018 году, мы сделали следующий большой шаг вперед, — сказал Деффнер. «Мы обобщили стохастическую термодинамику к квантовым теориям поля (QFT). В известном смысле мы расширили стохастическую термодинамику до своего предельного диапазона справедливости, поскольку QFT — это самая фундаментальная теория в физике».
Одним из ключей к достижению было разработать совершенно новый теоретико-графический подход, который позволил исследователям классифицировать и комбинировать диаграммы Фейнмана, используемые для описания поведения частиц по-новому. Более конкретно, подход позволяет точно рассчитать бесконечные суммы всех возможных перестановок (или аранжировок) несвязанных поддиаграмм, описывающих траектории частиц.
Физики ожидают, что результаты позволят другим ученым применить теоремы о флуктуациях к широкому кругу проблем на переднем крае физики, таких как физика частиц, космология и физика конденсированных сред. Это включает в себя изучение таких вещей, как квантовые двигатели, термодинамические свойства графена и кварк-глюонная плазма, создаваемая в коллайдерах тяжелых ионов.
В будущем физики планируют обобщить свой подход к более широкому кругу квантовых теорий поля, что откроет еще больше возможностей.
Больше информации: Anthony Bartolotta and Sebastian Deffner. «Jarzynski Equality for Driven Quantum Field Theories.» Physical Review X. To be published. Also at arXiv:1710.00829