Natuurkundigen hebben een van de meest prominente fluctuatiestellingen van de klassieke stochastische thermodynamica uitgebreid, de Jarzynski-gelijkheid, naar de kwantumveldentheorie. Aangezien de kwantumveldentheorie wordt beschouwd als de meest fundamentele theorie in de natuurkunde, de resultaten laten toe de kennis van de stochastische thermodynamica toe te passen, Voor de eerste keer, over het volledige bereik van energie- en lengteschalen.

de fysici, Anthony Bartolotta, een afgestudeerde student aan Caltech, en Sebastian Deffner, Natuurkunde professor aan de Universiteit van Maryland Baltimore County, hebben een paper geschreven over de Jarzynski-gelijkheid voor kwantumveldentheorieën die in een komende uitgave van zullen worden gepubliceerd Fysieke beoordeling X .

Het werk richt zich op een van de grootste uitdagingen in de fundamentele fysica, dat is om te bepalen hoe de wetten van de klassieke thermodynamica kunnen worden uitgebreid tot de kwantumschaal. Het begrijpen van werk en warmtestroom op het niveau van subatomaire deeltjes zou een groot aantal gebieden ten goede komen, van het ontwerpen van materialen op nanoschaal tot het begrijpen van de evolutie van het vroege heelal.

Zoals Bartolotta en Deffner in hun paper uitleggen, in tegenstelling tot de grote sprongen die de afgelopen eeuw zijn gemaakt in de "microscopische theorieën" van de klassieke en kwantummechanica, de ontwikkeling van de thermodynamica is in die tijd nogal gestagneerd.

Hoewel de thermodynamica oorspronkelijk is ontwikkeld om de relatie tussen energie en arbeid te beschrijven, de theorie is traditioneel alleen van toepassing op systemen die oneindig langzaam veranderen. In 1997, natuurkundige Christopher Jarzynski van de Universiteit van Maryland College Park introduceerde een manier om de thermodynamica uit te breiden naar systemen waarin in ieder geval warmte- en energieoverdrachtsprocessen plaatsvinden. De fluctuatiestellingen, waarvan de meest prominente nu de Jarzynski-gelijkheid wordt genoemd, hebben het mogelijk gemaakt om de thermodynamica van een breder scala aan kleinere, maar toch klassiek, systemen.

"Thermodynamica is een fenomenologische theorie om het gemiddelde gedrag van warmte en arbeid te beschrijven, "Deffner vertelde" Phys.org . "Oorspronkelijk ontworpen om grote, stinkende hittemotoren, het was niet in staat om kleine systemen en systemen te beschrijven die ver van evenwicht opereren. De gelijkheid van Jarzynski heeft de reikwijdte van de thermodynamica drastisch verbreed en de basis gelegd voor de stochastische thermodynamica. dat is een nieuwe en zeer actieve tak van onderzoek."

Stochastische thermodynamica houdt zich bezig met klassieke thermodynamische concepten zoals werk, warmte, en entropie, maar op het niveau van fluctuerende banen van atomen en moleculen. Dit meer gedetailleerde beeld is vooral belangrijk voor het begrijpen van de thermodynamica in kleinschalige systemen, dat is ook het domein van verschillende opkomende toepassingen.

Het was niet voor nog een decennium, echter, totdat de gelijkheid van Jarzynski en andere fluctuatiestellingen werden uitgebreid tot de kwantumschaal, althans tot op zekere hoogte. In 2007, onderzoekers bepaalden hoe kwantumeffecten de gebruikelijke interpretatie van werk wijzigen. Echter, er zijn nog veel vragen en over het algemeen het gebied van de kwantumstochastische thermodynamica is nog onvolledig. Tegen deze achtergrond, de resultaten van de nieuwe studie vertegenwoordigen een belangrijke vooruitgang.

"Nutsvoorzieningen, in 2018 hebben we de volgende grote stap voorwaarts gezet, " Zei Deffner. "We hebben de stochastische thermodynamica veralgemeend naar kwantumveldentheorieën (QFT). In zekere zin hebben we de stochastische thermodynamica uitgebreid tot zijn ultieme geldigheidsbereik, aangezien QFT is ontworpen als de meest fundamentele theorie in de natuurkunde."

Een van de sleutels tot deze prestatie was het ontwikkelen van een volledig nieuwe grafentheoretische benadering, waardoor de onderzoekers de Feynman-diagrammen die werden gebruikt om het gedrag van deeltjes te beschrijven op een nieuwe manier konden classificeren en combineren. Specifieker, de benadering maakt het mogelijk om nauwkeurig oneindige sommen te berekenen van alle mogelijke permutaties (of rangschikkingen) van niet-verbonden subdiagrammen die de deeltjestrajecten beschrijven.

"De hoeveelheid waarin we geïnteresseerd waren, het werk, is anders dan de hoeveelheden die gewoonlijk worden berekend door deeltjestheoretici en vereist dus een andere benadering, ' zei Bartolotta.

De natuurkundigen verwachten dat de resultaten andere wetenschappers in staat zullen stellen de fluctuatiestellingen toe te passen op een breed scala aan problemen in de voorhoede van de natuurkunde, zoals in de deeltjesfysica, kosmologie, en fysica van de gecondenseerde materie. Dit omvat het bestuderen van zaken als kwantummotoren, de thermodynamische eigenschappen van grafeen, en het quark-gluonplasma dat wordt geproduceerd in zware ionenversnellers - enkele van de meest extreme omstandigheden die in de natuur worden aangetroffen.

In de toekomst, de natuurkundigen zijn van plan hun benadering te generaliseren naar een grotere verscheidenheid aan kwantumveldentheorieën, wat nog meer mogelijkheden biedt.

© 2018 Fys.org