혼돈은 양자 세계에 온도를 부여합니다. 날짜: 2022년 12월 14일 원천: 비엔나 기술 대학교 요약: 물리학의 겉보기에 다른 두 영역은 양자 이론과 열역학이라는 미묘한 방식으로 관련되어 있습니다. 어떻게 열역학 법칙이 양자물리학 법칙에서 나올 수 있습니까? 이 질문은 이제 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 추구되었으며 혼돈이 중요한 역할을 한다는 것을 보여주었습니다. 혼돈이 우세한 곳에서만 잘 알려진 열역학 규칙이 양자 물리학을 따릅니다.
단일 입자에는 온도가 없습니다. 그것은 특정한 에너지나 특정한 속도를 가지고 있지만 그것을 온도로 변환하는 것은 불가능합니다. 많은 입자의 무작위 속도 분포를 다룰 때만 잘 정의된 온도가 나타납니다.
어떻게 열역학 법칙이 양자물리학 법칙에서 나올 수 있습니까? 이것은 최근 몇 년 동안 점점 더 많은 관심을 받고 있는 주제입니다. TU Wien(비엔나)에서 이 질문은 이제 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 추구되었으며 혼돈이 중요한 역할을 한다는 것을 보여주었습니다. 혼돈이 우세한 곳에서만 열역학의 잘 알려진 규칙이 양자 물리학을 따릅니다.
Boltzmann: 모든 것이 가능하지만 불가능할 수도 있습니다.
방 안을 무작위로 날아다니는 공기 분자는 상상할 수 없는 수의 서로 다른 상태를 가정할 수 있습니다. 개별 입자마다 서로 다른 위치와 서로 다른 속도가 허용됩니다. 그러나 이러한 모든 상태가 동일하게 발생하는 것은 아닙니다. 이론 물리학 연구소의 Iva Brezinova 교수는 "물리적으로 이 공간의 모든 에너지가 하나의 단일 입자로 전달되는 것이 가능할 것입니다. 그러면 다른 모든 입자가 가만히 있는 동안 매우 빠른 속도로 움직일 것입니다."라고 이론 물리학 연구소의 Iva Brezinova 교수는 말합니다. TU 빈에서. "그러나 이것은 실제로 관찰되지 않을 가능성이 매우 낮습니다."
서로 다른 허용 상태의 확률은 오스트리아의 물리학자 Ludwig Boltzmann이 고전 물리학의 규칙에 따라 설정한 공식에 따라 계산할 수 있습니다. 그리고 이 확률 분포에서 온도도 판독할 수 있습니다. 온도는 많은 수의 입자에 대해서만 결정됩니다.
단일 양자 상태로서의 전 세계
그러나 이것은 양자물리학을 다룰 때 문제를 일으킨다. 많은 수의 양자 입자가 동시에 작동하면 양자 이론의 방정식이 너무 복잡해져서 세계 최고의 슈퍼컴퓨터도 해결할 기회가 없습니다.
양자 물리학에서 개별 입자는 고전적인 당구공의 경우처럼 서로 독립적으로 간주될 수 없습니다. 모든 당구공은 모든 시점에서 고유한 개별 궤적과 개별 위치를 가지고 있습니다. 반면에 양자 입자는 개별성이 없으며 하나의 큰 양자 파동 함수로 함께 설명될 수만 있습니다.
"양자 물리학에서 전체 시스템은 하나의 큰 다입자 양자 상태로 설명됩니다."라고 Joachim Burgdörfer 교수(TU Wien)는 말합니다. "무작위 분포와 이에 따른 온도가 어떻게 발생해야 하는지는 오랫동안 수수께끼로 남아 있었습니다."
중재자로서의 카오스 이론
TU Wien의 한 팀은 이제 혼돈이 중요한 역할을 한다는 것을 보여줄 수 있었습니다. 이를 위해 팀은 많은 수의 입자로 구성된 양자 시스템의 컴퓨터 시뮬레이션을 수행했습니다. 많은 수의 구별할 수 없는 입자("열탕")와 다른 종류의 입자 중 하나인 "샘플 입자"가 작동합니다. 온도계로. 대형 시스템의 각 개별 양자 파동 함수는 특정 에너지를 갖지만 단일 고전 입자처럼 잘 정의된 온도는 없습니다. 그러나 이제 단일 양자 상태에서 샘플 입자를 선택하고 속도를 측정하면 잘 확립된 열역학 법칙에 맞는 온도에 해당하는 속도 분포를 놀랍게도 찾을 수 있습니다.
Iva Brezinova는 "적합 여부는 혼돈에 달려 있습니다. 이것이 우리의 계산이 명확하게 보여준 것입니다."라고 말합니다. "우리는 컴퓨터에서 입자 간의 상호 작용을 구체적으로 변경하여 완전히 혼란스러운 시스템을 만들거나 전혀 혼란을 나타내지 않거나 그 사이의 모든 것을 만들 수 있습니다." 그리고 그렇게 함으로써 혼돈의 존재가 샘플 입자의 양자 상태가 볼츠만 온도 분포를 나타내는지 여부를 결정한다는 것을 발견했습니다.
"무작위 분포나 열역학적 규칙에 대한 가정 없이도 열역학적 거동은 양자 이론 자체에서 발생합니다. 샘플 입자와 열탕이 결합된 시스템이 양자 무질서하게 거동한다면 말입니다. 그리고 이 거동이 잘 알려진 볼츠만 공식에 얼마나 잘 맞는지는 혼돈의 강도에 의해 결정됩니다."라고 Joachim Burgdörfer는 설명합니다.
이것은 세 가지 중요한 이론(양자 이론, 열역학 및 혼돈 이론) 간의 상호 작용이 다입자 컴퓨터 시뮬레이션에 의해 엄격하게 입증된 첫 번째 사례 중 하나입니다.