A Bécsi Műszaki Egyetem kutatói számítógépes szimulációk segítségével új kapcsolatot fedeztek fel a termodinamika és a kvantumfizika között. A termodinamikában a hőmérséklet a részecskék átlagos kinetikus energiájának a mértéke egy rendszerben, a kvantumfizikában viszont a részecskéket hullámfüggvények írják le, és nem lehet minden részecskéhez határozott kinetikus energiát társítani. Ez tehát felveti a kérdést, hogy a hőmérséklet mégis hogyan jön létre a kvantumfizika alapján -- írja a sajtóközlemény.

A kutatók sok megkülönböztethetetlen részecskéből (úgynevezett „hőfürdő”) és egy megkülönböztethető részecskéből (ez pedig a „mintarészecske”) álló rendszert szimuláltak. Fontos még megemlíteni a Ludwig Boltzmann osztrák fizikusról elnevezett Boltzmann hőmérséklet-eloszlást, ami egy olyan statisztikai eloszlás, amely leírja a kinetikus energia eloszlását a rendszer részecskéi között – magyarán nagyszámú részecskére vonatkoztatva megadja a mozgási energiát, ebből pedig leolvasható a rendszer hőmérséklete. Ezzel azonban az a gond, hogy a Boltzmann hőmérséklet-eloszlás problémákat okoz a kvantumfizika kezelésekor. Ha ugyanis egyszerre nagyszámú kvantumrészecske kerül a képbe, akkor a kvantumelmélet egyenletei olyan bonyolulttá válnak, hogy még a világ legjobb szuperszámítógépeinek sincs esélyük megoldani őket.

Ennek az az oka, hogy a kvantumfizikában az egyes részecskék nem tekinthetők egymástól független létezőként, mint mondjuk az történik a biliárdgolyók esetében. Minden biliárdgolyónak van egy egyéni pályája és saját egyéni elhelyezkedése minden időpontra vonatkoztatva. A kvantumrészecskéknek viszont nincs ilyen „egyéni jelenléte” – ezek csak együtt, egyetlen nagy kvantumhullámfüggvényben írhatók le. A kérdés tehát, hogy ebből a sokrészecskés kvantumállapotból miként keletkezik a véletlenszerű eloszlás, és ezáltal a hőmérséklet.

Épp ezért volt tehát szükség a fent említett „mintarészecskére”, amely a kvantumállapot egyetlen, kiválasztott részecskéje – ha pedig ennek megmérjük a sebességét, akkor meglepő módon olyan sebességeloszlást találhatunk, amely megfelel a termodinamika jól megalapozott törvényeinek. Rendben, de miért került az előző mondatban a „talál” ige feltételes módba, mitől függ, hogy a mintarészecske viselkedése megfelel-e annak, amit a termodinamika törvényei alapján várnánk? A kutatók szerint itt jön a képbe a káosz. A kutatók ugyanis szabadon változtathatták a paramétereket a szimulációban – így létrehozhattak akár teljesen kaotikus rendszer, de olyat is, ami egyáltalán nem kaotikus, illetve bármit e kettő szélsőség között. A mostani felfedezés summázata pedig az, hogy a káosz jelenléte határozza meg, hogy a mintarészecske kvantumállapota Boltzmann hőmérséklet-eloszlást mutat-e vagy sem.

A felfedezés tehát fontos előrelépés a kvantumfizika és a termodinamika közötti kapcsolat, valamint a kvantumrendszerekben a hőmérséklet keletkezésének megértésében. Mindez ráadásul a fizika alapelveinek megértésére komolyan támaszkodó új technológiák kifejlesztésére is hatással lehet. Ráadásul ez az első eset, amikor három fontos elmélet kölcsönhatását sokrészecskés számítógépes szimulációkkal demonstrálták tudományos szigorúsággal: a kvantumelmélet, a termodinamika és a káoszelmélet találtak tehát egymásra ebben a modellben.

(Kép: Pixabay/TheDigitalArtist)