مطابق با قانون دوم ترمودینامیک، آنتروپی یک سیستم جدا شده تمایل دارد که با گذشت زمان افزایش یابد. همه چیز در اطراف ما این قانون را دنبال می‌کند؛ برای مثال ذوب شدن یخ، اتاقی که شلوغ‌تر می‌شود، قهوه داغی که سرد می‌شود و پیری - همه مثال‌هایی از افزایش آنتروپی با گذشت زمان هستند.
تا اکنون، دانشمندان معتقد بودند که فیزیک کوانتومی از این قانون مستثنی است. این به دلیل این است که حدود ۹۰ سال پیش، ریاضیدان جان فون نویمان مجموعه‌ای از مقاله‌ها را منتشر کرد که در آن‌ها ریاضیاتی نشان داد که اگر ما دانش کامل از وضعیت کوانتومی یک سیستم داشته باشیم، آنتروپی آن با گذشت زمان ثابت می‌ماند.
با این حال، مطالعهٔ جدیدی از محققان دانشگاه فناوری وین (TU Wien) این نظر را به چالش می‌کشد. این مطالعه پیشنهاد می‌دهد که آنتروپی یک سیستم کوانتومی بسته نیز با گذشت زمان افزایش می‌یابد تا به سطح اوج خود برسد.
تیم TU Wien می‌گوید : "به نوعی از آنتروپی که نگاه می‌کنید بستگی دارد. اگر مفهوم آنتروپی را به گونه‌ای تعریف کنید که با ایده‌های پایه‌ای فیزیک کوانتومی سازگار باشد، دیگر تناقضی بین فیزیک کوانتومی و ترمودینامیک وجود ندارد."
سیستم کوانتومی آنتروپی متفاوتی را دنبال می‌کند
نویسندگان مطالعه به یک جزئیات مهم در توضیحات نویمان اشاره کردند. او بیان کرد که آنتروپی برای یک سیستم کوانتومی وقتی تغییری نمی‌کند که ما اطلاعات کامل در مورد سیستم داشته باشیم.
با این حال، نظریهٔ کوانتومی خودش به ما می‌گوید که غیرممکن است که دانش کامل داشته باشیم از یک سیستم کوانتومی، چون ما فقط می‌توانیم بعضی از خواص‌اش را با عدم قطعیت اندازه‌گیری کنیم. این به معنی این است که آنتروپی فون نویمان روش درستی نیست برای نگاه به تصادفی بودن و آشوب در سیستم‌های کوانتومی.
پس، روش درست چیست؟ خب، "به جای محاسبهٔ آنتروپی فون نویمان برای وضعیت کامل کوانتومی کل سیستم، شما می‌توانید آنتروپی‌ای برای یک مشاهده‌پذیر خاص محاسبه کنید،" نویسندگان مطالعه توضیح می‌دهند.
این می‌تواند با استفاده از آنتروپی شانون که مفهومی پیشنهاد شده توسط ریاضیدان کلود شانون در سال ۱۹۴۸ در مقاله‌اش با عنوان نظریهٔ ریاضی ارتباطات به دست بیاید. آنتروپی شانون عدم قطعیت در نتیجهٔ یک اندازه‌گیری خاص را اندازه‌گیری می‌کند. این به ما می‌گوید که چقدر اطلاعات جدید به دست می‌آوریم وقتی یک سیستم کوانتومی را مشاهده می‌کنیم.
"اگر فقط یک نتیجهٔ ممکن از ۱۰۰٪ اطمینان وجود داشته باشد، در این صورت آنتروپی شانون صفر است. شما از نتیجه تعجب نمی‌کنید و چیزی جدیدی از آن نمی‌آموزید. اگر بسیاری از مقادیر ممکن با احتمالات مشابه بزرگ وجود داشته باشد، در این صورت آنتروپی شانون بزرگ است," فلوریان مایر، نویسندهٔ اصلی این مطالعه و تحقیقگر در TU Wien، گفت.
اتحاد فیزیک کوانتومی با ترمودینامیک
وقتی که ما آنتروپی یک سیستم کوانتومی را از دیدگاه کلود شانون بازتصور می‌کنیم، با یک سیستم کوانتومی در وضعیتی با آنتروپی شانون پایین شروع می‌کنیم، به این معنی که رفتار سیستم نسبتاً قابل پیش‌بینی است.
به عنوان مثال، تصور کنید که شما یک الکترون دارید و تصمیم می‌گیرید که چرخش آن را اندازه‌گیری کنید (که می‌تواند بالا یا پایین باشد). اگر شما از قبل بدانید که چرخش ۱۰۰٪ بالا است، در این صورت آنتروپی شانون صفر است - ما از اندازه‌گیری چیزی جدیدی نمی‌آموزیم.
در صورت چرخش ۵۰٪ بالا و ۵۰٪ پایین، در این صورت آنتروپی شانون بالاست زیرا به همان اندازه ممکن است که هر دو نتیجه را بدست آوریم و اندازه‌گیری به ما اطلاعات جدیدی می‌دهد. با گذشت زمان بیشتر، آنتروپی افزایش می‌یابد زیرا شما هرگز مطمئن به نتیجه نیستید.
با این حال، در نهایت، آنتروپی به نقطه‌ای می‌رسد که تعادل ایجاد می‌شود، به این معنی که عدم پیش‌بینی‌پذیری سیستم پایدار می‌شود. این همان چیزی است که ما در ترمودینامیک کلاسیک مشاهده می‌کنیم، جایی که آنتروپی افزایش می‌یابد تا به تعادل برسد و سپس ثابت می‌ماند.
مطابق با این مطالعه، این موضوع در مورد آنتروپی نیز برای سیستم‌های کوانتومی با ذرات زیاد و تولید نتایج متعدد معتبر است.
"این به ما نشان می‌دهد که قانون دوم ترمودینامیک نیز در یک سیستم کوانتومی که کاملاً از محیط خود جدا شده است صحیح است. شما فقط باید سوالات درستی بپرسید و از تعریف مناسب آنتروپی استفاده کنید," مارکوس هابر، نویسندهٔ ارشد این مطالعه و یک کارشناس در علم اطلاعات کوانتومی در TU Wien، گفت.
این مطالعه در نشریهٔ PRX Quantum منتشر شده است.
