De productie van entropie, wat betekent dat de mate van wanorde in een systeem toeneemt, is een onverbiddelijke tendens in de macroscopische wereld als gevolg van de tweede wet van de thermodynamica. Dit maakt de processen beschreven door de klassieke natuurkunde onomkeerbaar en, door verlenging, geeft richting aan de tijdsstroom. Echter, de tendens is niet noodzakelijk van toepassing in de microscopische wereld, die wordt beheerst door de kwantummechanica. De wetten van de kwantumfysica zijn omkeerbaar in de tijd, dus in de microscopische wereld, er is geen voorkeursrichting voor de stroom van verschijnselen.

Een van de belangrijkste doelen van hedendaags wetenschappelijk onderzoek is precies te weten waar de overgang plaatsvindt van de kwantumwereld naar de klassieke wereld en waarom deze plaatsvindt - met andere woorden, uitvinden waardoor de productie van entropie de boventoon voert. Dit doel verklaart de huidige interesse in het bestuderen van mesoscopische systemen, die niet zo klein zijn als individuele atomen, maar toch goed gedefinieerd kwantumgedrag vertonen.

Een nieuwe experimentele studie door onderzoekers uit onder meer Brazilië levert een belangrijke bijdrage op dit gebied. Er is onlangs een artikel over verschenen in Fysieke beoordelingsbrieven .

"We hebben twee systemen bestudeerd:een Bose-Einstein-condensaat met 100, 000 atomen opgesloten in een holte en een optomechanische holte die licht opsluit tussen twee spiegels, "Gabriël Teixeira Landi, een professor aan het Physics Institute van de Universiteit van São Paulo (IF-USP), verteld.

Landi was een van de wetenschappers die verantwoordelijk was voor het ontwikkelen van een theoretisch model dat de productie van entropie correleert met meetbare hoeveelheden voor beide experimenten. Het onderzoek wordt ondersteund door São Paulo Research Foundation—FAPESP. Het Bose-Einstein-condensaat werd bestudeerd aan het Zwitserse Federale Instituut voor Technologie (ETH Zürich), en het holte-optomechanica-apparaat werd bestudeerd aan de Universiteit van Wenen in Oostenrijk.

Vaak de "vijfde toestand van materie" genoemd (de andere vier zijn vaste stoffen, vloeistoffen, gassen en plasma), Bose-Einstein-condensaten worden verkregen wanneer een groep atomen bijna tot het absolute nulpunt wordt afgekoeld. Onder deze voorwaarden, de deeltjes hebben niet langer de vrije energie om ten opzichte van elkaar te bewegen, en sommigen van hen gaan dezelfde kwantumtoestanden binnen, niet meer van elkaar te onderscheiden zijn. De atomen gehoorzamen dan aan zogenaamde Bose-Einstein-statistieken, die meestal van toepassing zijn op identieke deeltjes. In een Bose-Einstein condensaat, de hele groep atomen gedraagt ​​zich als een enkel deeltje.

Een optomechanische holte is in feite een lichtval. In dit specifieke geval, een van de spiegels bestond uit een nanometrisch membraan dat mechanisch kon trillen. Dus, het experiment omvatte interacties tussen licht en mechanische trillingen. Bij beide systemen er waren twee reservoirs, de een heet en de ander koud, zodat de warmte van de een naar de ander kon stromen.

"Beide situaties vertoonden handtekeningen van iets onomkeerbaars en vertoonden daarom een ​​toename van entropie. Bovendien, ze vertoonden onomkeerbaarheid als gevolg van kwantumeffecten, " zei Landi. "Door de experimenten konden klassieke effecten duidelijk worden onderscheiden van kwantumfluctuaties."

De grootste moeilijkheid in deze onderzoekslijn is dat entropieproductie niet direct kan worden gemeten. In de experimenten in kwestie daarom, de wetenschappers moesten een theoretische relatie construeren tussen entropieproductie en andere fenomenen die onomkeerbaarheid signaleren en direct meetbaar zijn. In beide gevallen, ze kozen ervoor om de fotonen te meten die uit de holtes lekten, opzettelijk halfdoorzichtige spiegels hebben gebruikt om wat licht te laten ontsnappen.

Ze maten het gemiddelde aantal fotonen in de holtes en de mechanische variaties in het geval van de trillende spiegel.

"Kwantumfluctuaties droegen bij aan een toename van de onomkeerbaarheid in beide experimenten, ' zei Landi. 'Dit was een contra-intuïtieve ontdekking. Het is niet per se iets dat kan worden gegeneraliseerd. Het gebeurde in deze twee gevallen, maar het is mogelijk niet geldig in anderen. Ik zie deze twee experimenten als een eerste poging om entropie op dit soort platform te heroverwegen. Ze openen de deur naar verdere experimenten met een kleiner aantal rubidium-atomen of zelfs kleinere optomechanische holtes, bijvoorbeeld."

Informatieverlies en wanorde

In een recent theoretisch onderzoek Landi liet zien hoe klassieke fluctuaties (trillingen van atomen en moleculen, thermische energie produceren) en kwantumfluctuaties tegelijkertijd kunnen optreden, zonder noodzakelijkerwijs bij te dragen tot dezelfde resultaten. Dat onderzoek was een voorloper van de twee nieuwe experimenten.

"Zowel het condensaat als de lichtbeperkende holte waren mesoscopische verschijnselen. in tegenstelling tot andere mesoscopische verschijnselen, ze hadden perfect bewaarde kwantumeigenschappen dankzij afscherming van de omgeving. Zij, daarom, zorgde voor gecontroleerde situaties waarin entropieproductie competitie tussen klassieke en kwantumfenomenen heel duidelijk kon worden waargenomen, ' zei Landi.

"Entropie kan op verschillende manieren worden geïnterpreteerd. Als we denken in termen van informatie, een toename van entropie betekent een verlies van informatie. Vanuit het standpunt van de thermodynamica, entropie meet de mate van wanorde. Hoe groter de entropie, hoe groter de wanorde in het systeem. Door deze twee visies te combineren, we kunnen een meer uitgebreid begrip van het fenomeen krijgen."

Zowel het Bose-Einstein-condensaat als de optomechanische holte zijn voorbeelden van zogenaamde 'kwantumsimulatieplatforms'. Deze platforms stellen wetenschappers in staat om een ​​groot obstakel voor kennisontwikkeling te omzeilen, omdat er belangrijke systemen in de natuur zijn waarvoor beschrijvende modellen bestaan, maar waarvoor vanwege rekenproblemen geen voorspellingen kunnen worden gedaan. Het bekendste voorbeeld is supergeleiding bij hoge temperatuur. Niemand begrijpt hoe bepaalde materialen zich kunnen gedragen als supergeleiders bij het kookpunt van vloeibare stikstof (ongeveer -196°C).

De nieuwe platforms bieden kwantumapparaten die deze systemen kunnen simuleren. Echter, ze doen dat op een gecontroleerde manier, alle complicerende factoren elimineren, en focus alleen op de eenvoudigste verschijnselen van belang. "Dit idee van kwantumsimulatie is de afgelopen jaren aanzienlijk aangeslagen. Simulaties variëren van belangrijke moleculen in de geneeskunde tot sleutelstructuren in de kosmologie, ' zei Landi.