Физики из Австрийской академии наук, Автономного университета Барселоны и Женевского университета доказали на квантовом уровне то, о чем давно подозревали другие: квантовая механика накладывает ограничение на скорость, с которой система с разницей температур между ее компонентами достигает теплового равновесия. Это ограничение скорости является универсальным, и никакие действия в системе не могут его изменить.
Тепловое равновесие может показаться сложной концепцией, но сотни систем ежедневно достигают его. Горячая чашка кофе со временем остынет до комнатной температуры, или стакан колы тоже станет теплым и достигнет примерно той же температуры, даже если они не будут храниться в непосредственной близости друг от друга.
Насколько быстро это происходит, может зависеть от внешних факторов, таких как температура в комнате или размер стакана напитка, который вы налили, и т. д. Но физики уже давно подозревали, что на субатомном уровне существует нечто, что по своей сути контролирует, насколько быстро могут происходить эти изменения.
Группа исследователей из некоторых ведущих институтов Испании, Австрии и Швейцарии теперь пришла к математическому доказательству, которое показывает, что действительно существует предел скорости на квантовом уровне, который определяет, насколько быстро системы достигают своего теплового равновесия.
Придя к доказательству
Хотя мы, возможно, и не заметили этого за остывающей чашкой кофе, физики уже давно заметили вероятность ограничения скорости при работе со сверхпроводниками и другими квантовыми системами. Чтобы продемонстрировать, что оно действительно существует, ученым необходимо математическое доказательство, и именно это и намеревались сделать европейские исследователи.
Используя универсальную математическую основу, исследователи рассматривали термализацию как процесс, который может привести различные квантовые системы в соответствующие им тепловые состояния. Используя квантовую теорию информации, они также определили, насколько быстро этого можно достичь на основе принципов квантовой механики.
Затем они применили свои уравнения к теоретической модели квантовых частиц и попытались математически проанализировать их поведение. Анализ показал, что квантовая механика действительно ограничивает скорость достижения теплового равновесия различными квантовыми системами.
Универсальный предел
Исследователи обнаружили, что предел определяется не только температурой системы, но и двумя константами – приведенной постоянной Планка и постоянной Больцмана, которая связывает среднюю кинетическую энергию частиц в газе с термодинамической температурой системы.
Это означает, что даже когда компоненты системы могут находиться при более высоких температурах и, кажется, быстро достигают равновесия, они все равно не могут двигаться быстрее, чем предел скорости, налагаемый квантовой механикой. Это подтверждает, что предел скорости зависит от температуры и квантовой механики, а не от сложности среды, в которой он работает.
Однако интересно, что когда компоненты системы имеют очень небольшую разницу температур, скорость теплового равновесия не такая же, как когда разница температур более высокая. Вместо этого это определяется двумя состояниями с наименьшей энергией в системе.
Полученные результаты открывают новые направления исследований в области квантовых технологий, таких как вычисления и зондирование.
Результаты исследования опубликованы в журнале Физика природы.
