모든 물리 법칙에서, 열역학 제 2 차 법칙보다 더 많은 원칙은 없을 것입니다. 즉, 장애의 척도 인 엔트로피가 항상 동일하게 유지되거나 증가 할 것이라는 개념입니다. "누군가가 당신의 애완 동물이 이론이 Maxwell의 방정식과 의견이 맞지 않는다고 지적한다면, 1928 년 영국의 Arthur Eddington은 물리적 세계의 본질 에서 썼다. . “그것이 관찰에 의해 모순된다면 - 글쎄,이 실험 주의자들은 때때로 일을합니다. 그러나 당신의 이론이 열역학 제 2 법칙에 위배되는 것으로 밝혀지면 나는 당신에게 희망을 줄 수 없습니다. 가장 깊은 굴욕으로 붕괴되는 것 외에는 아무것도 없습니다.” 이 법에 대한 위반은 관찰되지 않았으며 예상되지 않았습니다.
그러나 제 2 법칙에 관한 것이 물리학 자들을 괴롭 힙니다. 일부는 우리가 그것을 제대로 이해하거나 그 기초가 확고하다고 확신하지 않습니다. 법이라고하지만 일반적으로 단순히 확률 론적으로 간주됩니다. 모든 프로세스의 결과가 가장 가능성이 높은 프로세스가 될 것임을 규정하고 있습니다 (이는 관련된 숫자를 감안할 때 결과가 불가피하다는 것을 의미합니다).
.그러나 물리학 자들은 아마도 일어날 일에 대한 설명을 원하지 않습니다. 옥스포드 대학교의 물리학자인 Chiara Marletto는“우리는 물리 법칙을 정확하게 좋아합니다. 제 2 법칙은 가능성에 대한 진술 이상으로 강화 될 수 있습니까?
많은 독립 그룹이 그 일을 한 것으로 보입니다. 그들은 양자 역학의 기본 원칙에서 제 2 법칙을 짜게했을 수도 있습니다. 일부 용의자는 가장 깊은 수준에서 방향성과 비가역성이 내장되어 있습니다. 이 견해에 따르면, 제 2 법칙은 고전적 확률 때문이 아니라 얽힘과 같은 양자 효과 때문입니다. 그것은 양자 시스템이 정보를 공유하는 방식과 Cornerstone Quantum 원칙에서 발생하는 일과 그렇지 않은 일을 결정합니다. 이 말에서 엔트로피의 증가는 변화의 가장 큰 결과가 아닙니다. 그것은 우리가 알고있는 가장 근본적인 자원의 논리적 결과 - 정보의 양자 자원입니다.
양자 불가피성
열역학은 19 세기 초에 열의 흐름과 작업 생산을 설명하기 위해 고안되었습니다. 증기 전력이 산업 혁명을 주도함에 따라 그러한 이론의 필요성은 시급히 느껴졌으며 엔지니어들은 기기를 가능한 한 효율적으로 만들기를 원했습니다.
.결국, 열역학은 더 나은 엔진과 기계를 만드는 데 큰 도움이되지 않았습니다. 대신, 그것은 현대 물리학의 중심 기둥 중 하나가되어 모든 변화 과정을 지배하는 기준을 제공합니다.
고전적인 열역학에는 소수의 법률이 있으며, 그 중 가장 기본적인 법률은 첫 번째와 두 번째입니다. 첫 번째는 에너지가 항상 보존된다고 말합니다. 두 번째 법칙에 따르면 열은 항상 뜨겁고 차가운 곳으로 흐릅니다. 보다 일반적으로 이것은 엔트로피로 표현되며, 모든 변화 과정에서 전반적으로 증가해야합니다. 엔트로피는 장애와 느슨하게 동일하지만, 오스트리아 물리학 자 루드비히 볼츠만은 시스템이 가지고있는 총 미세 기화물 수와 관련된 수량으로 더 엄격하게 공식화했다.
두 번째 법칙은 왜 변화가 처음에 발생하는지 보여주는 것으로 보입니다. 개별 입자 수준에서, 고전적인 운동 법칙은 제 시간에 반전 될 수 있습니다. 그러나 두 번째 법칙은 변화가 엔트로피를 증가시키는 방식으로 발생해야한다는 것을 암시합니다. 이 방향성은 화살의 시간을 강요하는 것으로 널리 간주됩니다. 이 관점에서, 우주는 entropy가 낮은 상태에서 완전히 이해되거나 합의되지 않은 이유 때문에 우주가 시작되었고, 더 높은 엔트로피 중 하나로 향하고 있기 때문에 시간은 과거에서 미래로 흐르는 것 같습니다. 그 의미는 결국 열이 완전히 균일하게 퍼져 나갈 것이며, 19 세기 중반의 과학자들이 우주의 열 죽음이라고 불렀던 우울한 전망.
.엔트로피에 대한 Boltzmann의 미세한 설명은 이러한 방향성을 설명하는 것 같습니다. 더 장애가 있고 엔트로피가 훨씬 높아지는 많은 입자 시스템은 순서 대상이 낮으므로 분자 상호 작용이이를 생산할 가능성이 훨씬 높아집니다. 두 번째 법은 통계에 관한 것 같습니다. 그것은 많은 법칙입니다. 이 관점에서는 엔트로피가 감소 할 수없는 근본적인 이유가 없습니다. 예를 들어, 방의 모든 공기 분자가 우연히 한쪽 구석에 모일 수없는 이유는 없습니다.
그러나이 확률 론적 통계 물리학은 몇 가지 의문을 남깁니다. 그것은 가능한 상태의 전체 앙상블에서 가장 가능한 미세 조상으로 우리를 안내하고 우리가 그 앙상블에 걸쳐 평균을 취하는 것에 만족하도록 강요합니다.
.그러나 고전 물리학의 법칙은 결정 론적이며, 모든 출발점에 대한 단일 결과 만 허용합니다. 그러면 하나의 결과 만 가능하다면 가상의 국가 앙상블이 그림에 전혀 들어갈 수 있습니까?
옥스포드의 물리학자인 데이비드 도이치 (David Deutsch)는 몇 년 동안“그가 말한대로) 이론을 개발함으로써 이러한 딜레마를 피하려고 노력해 왔습니다. Marletto가 현재 협력하고있는 그의 프로젝트를 생성자 이론이라고합니다. 그것은 어떤 프로세스가 아마도 일어날 수 있고 일어날 수 없는지를 확립하는 것을 목표로하는 것을 목표로하고, 가능한 것이 가능하고 어떤 것이 금지되는지
생성자 이론은 가능한 및 불가능한 변형에 대한 진술의 관점에서 모든 물리학을 표현하는 것을 목표로합니다. 그것은 열역학 자체가 시작된 방식을 반영합니다. 세상의 변화를 19 세기에 엔진의 작업을 수행하는 방법을 설명하기 위해 유명한 Carnot 사이클과 같은 패턴에 따라 주기적 방식으로 작동하는 "기계"(생성자)에 의해 생성 된 것으로 간주한다는 점에서 반향합니다. 생성자는 촉매와 비슷하여 프로세스를 용이하게하고 끝에 원래 상태로 되돌아갑니다.
Marletto는“벽돌로 집을 짓는 것과 같은 변화가 있다고 말합니다. “이를 달성 할 수있는 여러 가지 기계를 다른 정확도로 생각할 수 있습니다. 이 모든 기계는 생성자이며,주기에서 작동합니다.” - 집을 지을 때 원래 상태로 돌아갑니다.
그러나 특정 작업을 수행하기위한 기계가 존재한다고해서 작업을 취소 할 수도 있다는 의미는 아닙니다. 집을 짓기위한 기계는 해체 할 수 없을 수 있습니다. 이것은 가역적 인 벽돌의 움직임을 설명하는 역동적 인 운동 법칙의 작동과는 다른 건물의 작동을 다르게 만듭니다.
Marletto는 비가역성의 이유는 대부분의 복잡한 작업의 경우 생성자가 주어진 환경에 적용되기 때문입니다. 해당 작업을 완료하는 것과 관련된 환경의 특정 정보가 필요합니다. 그러나 역 작업은 다른 환경으로 시작되므로 동일한 생성자가 반드시 작동하지는 않습니다. "기계는 작업중 인 환경에만 해당됩니다."라고 그녀는 말했습니다.
최근 옥스포드의 양자 이론가 블라 트 코 베드 랄 (Vlatko Vedral)과 이탈리아의 동료들과 함께 일하는 Marletto는 생성자 이론이 이러한 의미에서 돌이킬 수없는 프로세스를 식별한다는 것을 보여 주었다. "우리는 당신이 한 방향에 대한 생성자를 찾을 수있는 변환이 있지만 다른 방향은 아닙니다."라고 그녀는 말했습니다.
.연구원들은 양자 비트 (Qubits) 상태와 관련된 변형을 고려했으며, 이는 두 상태 중 하나 또는 두 가지 상태로 존재할 수 있습니다. 그들의 모델에서, 단일 qubit b는 초기의 완벽하게 알려진 상태 b 1 에서 변환 될 수있다. 대상 상태 b 2 에 한 번에 하나의 큐 비트를 지나면 다른 큐빗과 상호 작용할 때. 이 상호 작용은 큐 비트를 얽습니다. 그들의 특성은 상호 의존적이어서 다른 모든 것을 보지 않으면 큐브 중 하나를 완전히 특성화 할 수 없습니다.
행의 큐 비트 수가 매우 커짐에 따라 B를 상태 B 2로 가져올 수 있습니다. 당신이 원하는만큼 정확하게 말하면 Marletto는 말했습니다. 큐 비트 행과 B의 순차적 상호 작용 과정은 B 1 를 변환하는 생성자와 같은 기계를 구성합니다. b 2 . 원칙적으로 프로세스를 취소하여 b 2 b 1 로 돌아갑니다 , b를 줄을 따라 돌려 보내서.
그러나 한 번 변환을 한 후에는 새로운 B로 동일한 프로세스에 대한 큐 비트 배열을 재사용하려고한다면 어떨까요? Marletto와 동료들은 행의 큐 비트 수가 크지 않고 동일한 행을 반복적으로 사용하면 배열이 B 1 에서 변환을 생성 할 수 없게됩니다. b 2 . 그러나 결정적으로, 이론은 또한 행이 B 2 에서 역 변환을 수행 할 수 없다는 것을 예측합니다. b 1 . 연구자들은 B에 대한 광자와 광섬유 회로를 사용 하여이 예측을 실험적으로 확인하여 3 큐 비트로 줄을 시뮬레이션했습니다.
.Marletto는“한 방향으로는 생성자를 임의로 잘 대략적으로 근사화 할 수 있지만 다른 방향은 아닙니다. 제 2 법에 의해 부과 된 것과 마찬가지로 변형에 비대칭이 있습니다. 변환이 소위 순수 양자 상태 (b 1 에서 시스템을 가져 오기 때문입니다. ) 혼합 된 것 (b 2 , 행과 얽히게됩니다). 순수한 상태는 우리가 그것에 대해 알고있는 모든 것을 알고있는 상태입니다. 그러나 두 객체가 얽히면 다른 물체에 대한 모든 것을 알지 못하고 그 중 하나를 완전히 지정할 수는 없습니다. 사실 순수한 양자 상태에서 혼합 상태로 이동하는 것이 더 쉽다는 것입니다. 순수한 상태의 정보는 얽힘에 의해 퍼져서 회복하기가 어렵 기 때문입니다. 물에 분산 된 후 잉크 액체를 다시 형성하는 것과 비슷합니다. 두 번째 법칙에 의해 돌이킬 수있는 과정입니다.
Marletto는“비가역성은 시스템이 동적으로 진화하는 방식의 결과”라고 말했다. 통계적 측면은 없습니다. 비가역성은 가장 가능성있는 결과 일뿐 만 아니라 구성 요소의 양자 상호 작용에 의해 지배되는 피할 수없는 결과입니다. Marletto는“우리의 추측은 열역학적 비가역성이 이로 인해 발생할 수 있다는 것입니다.”
.기계의 악마
그러나 제 2 법에 대한 또 다른 생각은 볼츠만과 함께 열역학의 통계적 견해를 개척 한 스코틀랜드 과학자 인 제임스 서기 맥스웰 (James Clerk Maxwell)이 처음으로 고안 한 또 다른 방법이 있습니다. Maxwell은 그것을 깨닫지 못하면 열역학적 법칙을 정보 문제에 연결했습니다.
맥스웰은 우주 열 사망의 신학 적 영향과 자유 의지를 훼손하는 것처럼 보이는 불가피한 변화의 규칙에 어려움을 겪었다. 그래서 1867 년에 그는 제 2 법에서“구멍을 선택”하는 방법을 찾았습니다. 그의 가상의 시나리오에서, 미세한 존재 (나중에 그의 성가심, 악마라고 불림)는“쓸모없는”열을 다시 일을하기위한 자원으로 돌렸다. Maxwell은 이전에 열 평형의 가스에서 분자 에너지의 분포가 있음을 보여 주었다. 일부 분자는 다른 분자보다 "더 뜨겁다"는데, 그들은 더 빠르게 움직이고 더 많은 에너지를 가지고 있습니다. 그러나 그것들은 모두 무작위로 혼합되어 있으므로 이러한 차이를 활용할 방법이없는 것 같습니다.
맥스웰의 악마를 입력하십시오. 가스 구획을 2로 나눈 다음 마찰이없는 트랩 도어를 설치합니다. 악마는 구획으로 이동하는 뜨거운 분자가 한 방향으로 트랩 도어를 통과하지만 다른 방향은 아닙니다. 결국 악마는 한쪽에 뜨거운 가스가 있고 다른쪽에는 더 차가운 가스가 있으며, 온도 구배를 악용하여 일부 기계를 운전할 수 있습니다.
.악마는 분자의 움직임에 대한 정보를 사용하여 제 2 법칙을 훼손했습니다. 따라서 정보는 석유 배럴과 마찬가지로 작업을 수행하는 데 사용될 수있는 자원입니다. 그러나이 정보는 거시적 규모로 우리에게 숨겨져 있기 때문에 우리는이를 악용 할 수 없습니다. 고전적인 열역학을 평균과 앙상블에 대해 말하도록 강요하는 것은 미세 조상의 무지입니다.
거의 1 세기 후, 물리학 자들은 맥스웰의 악마가 장기적으로 제 2 법칙을 파괴하지 않는다는 것을 증명했습니다. 왜냐하면 그것이 수집하는 정보는 어딘가에 저장되어야하며, 유한 한 기억이 결국 더 많은 공간을 만들기 위해 지워야합니다. 1961 년 물리학 자 Rolf Landauer는 이러한 정보의 소거가 최소한의 열을 소비하지 않으면서도 달성 될 수 없다는 것을 보여 주었다. 따라서 제 2 법칙은 연기 된 후에 만 손상되지 않았습니다.
제 2 법칙에 대한 정보 적 관점은 이제 양자 문제로 재구성되고 있습니다. 이는 양자 역학이보다 근본적인 설명이라는 인식 때문입니다. Maxwell의 악마는 가스 입자를 고전적인 당구 공으로 취급합니다. 그러나 그것은 또한 양자 정보 이론 자체에 대한 급격한 관심을 반영합니다. 우리는 고전적으로 할 수없는 양자 원칙을 사용하여 정보로 일을 할 수 있습니다. 특히, 입자의 얽힘은 입자에 대한 정보가 비전적인 방식으로 퍼지고 조작 할 수있게합니다.
결정적으로, 양자 정보 적 접근법은 열역학의 고전적인 견해를 침대하는 번거로운 통계적 그림을 제거하는 방법을 시사합니다. 캘거리 대학교의 카를로 마리아 스칸돌로 (Carlo Maria Scandolo)는“양자 정보를 가진 진정한 참신함은 앙상블을 환경으로 대체 할 수 있다는 이해와 함께 이루어졌다.
그는 앙상블에 의지하는 것은 우리가 국가에 대한 부분 정보 만 있다는 사실을 반영한다고 말했다. 그것은이 마이크로 스테이트 또는 다른 확률이있는 것이 될 수 있으므로 확률 분포에 비해 평균해야한다. 그러나 양자 이론은 부분 정보 상태를 생성하는 또 다른 방법을 제공합니다 :얽힘을 통해. 양자 시스템이 모든 것을 알 수없는 환경과 얽히게되면 시스템 자체에 대한 일부 정보는 필연적으로 손실됩니다. 혼합 상태로 끝납니다. 여기서 시스템에만 집중하여 원칙적으로 모든 것을 알 수 없습니다.
.그런 다음 확률 측면에서 말해야합니다. 모르는 시스템에 대한 것이 아니라 그 정보의 일부는 근본적으로 알 수 없기 때문입니다. 이런 식으로,“확률은 얽힘에서 자연스럽게 발생합니다.”라고 Scandolo는 말했습니다. "환경의 역할을 고려하여 열역학적 행동을 얻는 것에 대한 모든 아이디어는 얽힘이있는 한만 작동합니다."
.그 아이디어는 이제 정확하게 만들어졌습니다. 홍콩 대학교의 Giulio Chiribella와 협력하여 Scandolo는“현명한 열역학”, 즉 확률을 기반으로하는“현명한 열역학”을 얻는 데 필요한 양자 정보에 대한 4 가지 공리를 제안했습니다. 공리는 양자 시스템의 정보에 대한 제약을 환경과 얽히게됩니다. 특히, 시스템 플러스 환경에서 발생하는 모든 것은 원칙적으로, 양자 시스템이 제 시간에 어떻게 진화하는지에 대한 표준 수학적 공식화에 의해 암시 된 바와 같이,
.이러한 공리의 결과, Scandolo 및 Chiribella Show의 결과로, 상관되지 않은 시스템은 가역적 상호 작용을 통해 항상 더 상관 관계가 커집니다. 상관 관계는 얽힌 객체를 연결하는 것입니다. 하나의 속성은 다른 것과 관련이 있습니다. 엔트로피와 관련된 수량 인 "상호 정보"로 측정됩니다. 따라서 상관 관계가 어떻게 변할 수 있는지에 대한 제약은 엔트로피의 제약 조건입니다. 시스템의 엔트로피가 감소하는 경우, 두 엔트로피의 합이 증가하거나 동일하게 유지 될 수 있도록 환경의 엔트로피가 증가해야하지만 결코 감소하지 않도록 환경의 엔트로피가 증가해야합니다. 이런 식으로 Scandolo는 그들의 접근 방식이 처음에 기본 공리에서 엔트로피의 존재를 도출한다고 말했다.
열역학 재정의
이 새로운 양자 버전의 열역학적 버전을 이해하는 가장 다재다능한 방법 중 하나는 소위 자원 이론을 호출합니다. 국립 표준 기술 연구소의 물리학 자 니콜 유거 인 할퍼 (Nicole Yunger Halpern)는“자원 이론은 수행 할 수있는 행동과 액세스 할 수있는 시스템이 어떤 이유로 제한되는 모든 상황에 대한 간단한 모델입니다. (Scandolo는 자원 이론을 그의 작품에 통합했습니다.)
양자 자원 이론은 물리적 프로세스가 가능한지에 대한 근본적인 한계가있는 양자 정보 이론에 의해 제안 된 물리적 세계의 그림을 채택합니다. 양자 정보 이론에서 이러한 한계는 일반적으로“아니오 이론”으로 표현됩니다.“당신은 그렇게 할 수 없습니다!”라고 말하는 진술. 예를 들어, Quantum No-Cloning이라는 아이디어 인 알 수없는 양자 상태의 사본을 만드는 것은 근본적으로 불가능합니다.
자원 이론에는 몇 가지 주요 성분이 있습니다. 허용되는 작업을 무료 운영이라고합니다. Yunger Halpern은“무료 운영을 지정하면 이론을 정의한 다음 어떤 변환이 가능한지 추론을 시작하고 이러한 작업을 수행 할 수있는 최적의 효율성이 무엇인지 물어볼 수 있습니다. 한편, 자원은 에이전트가 유용한 것을 수행하기 위해 접근 할 수있는 것입니다. 용광로를 발사하고 증기 엔진에 전력을 공급하는 석탄 더미 일 수 있습니다. 또는 맥스 웰 리안 악마가 제 2 법칙을 조금 더 오랫동안 파괴 할 수있는 여분의 기억 일 수 있습니다.
양자 자원 이론은 고전 제 2 법칙의 세밀한 세부 사항을 확대 할 수 있습니다. 우리는 수많은 입자에 대해 생각할 필요가 없습니다. 우리는 그들 중 일부 중에서 허용되는 것에 대한 진술을 할 수 있습니다. Yunger Halpern은이를 수행 할 때 고전 제 2 법칙 (최종 엔트로피가 초기 엔트로피보다 동일해야 함)은 불평등 관계의 온 가족의 일종의 거친 입자 금액이라는 것이 분명해집니다. 예를 들어, 고전적으로 제 2 법칙에 따르면 비 quilibrium 상태를 열 평형에 더 가깝게 변형시킬 수 있다고 말합니다. 그러나 Yunger Halpern은“이러한 주 중 어느 주 중 어느 것이 열에 가까운 지 묻는 것이 간단한 질문이 아닙니다. 대답하려면“우리는 불평등의 전체를 확인해야합니다.”
다시 말해서, 자원 이론에는 많은 미니 법칙이있는 것 같습니다. Yunger Halpern은“기존의 2 차 법에 의해 허용되는 일부 변형이있을 수 있지만이보다 상세한 불평등 가족은 금지 될 수 있습니다. 이런 이유로 그녀는 다음과 같이 덧붙입니다.
비엔나 대학교의 물리학자인 Markus Müller는 자원 이론 접근법은“열역학적 법칙 등의 개념적 또는 수학적 느슨한 끝없이 수학적으로 엄격한 파생을 인정한다”고 말했다. 그는이 접근법은“열역학에 의해 실제로 의미하는 바를 재고하는 것”을 포함한다고 말했다. 그것은 움직이는 입자의 큰 앙상블의 평균 특성에 관한 것이 아니라, 에이전트가 자연에 대항하여 사용 가능한 자원과의 과제를 수행하기 위해 자연에 대항하는 게임에 관한 것이다. 그러나 결국, 그것은 여전히 정보에 관한 것입니다. Yunger Halpern은 정보의 폐기 또는 정보를 추적 할 수 없다는 것은 실제로 제 2 법칙이 보유하는 이유라고 말했다.
힐버트의 문제
열역학을 재건하려는 이러한 모든 노력과 제 2 법칙은 독일 수학자 데이비드 힐 버트 (David Hilbert)가 제시 한 도전을 회상합니다. 1900 년에 그는 수학에서 23 개의 뛰어난 문제를 제기하여 해결하고 싶었습니다. 그 목록의 6 개 항목은“공리를 통해 오늘날 이미 수학이 중요한 역할을하는 물리 과학을 취급하는 것”이었습니다. 힐버트는 당시의 물리학이 다소 임의의 가정에 닿는 것처럼 보였고, 수학자들이 자신의 징계를 위해 기본 공리를 도출하려고 시도하는 것과 같은 방식으로 그들이 엄격하게 만들었습니다.
.
오늘날 일부 물리학 자들은 여전히 힐버트의 여섯 번째 문제에 대해 노력하고 있으며, 특히 양자 역학과 더 추상적 인 버전 인 양자 필드 이론을 전통적인 것보다 더 단순하고 육체적으로 투명한 공리를 사용하려고 시도합니다. 그러나 힐버트는 분명히 열역학을 염두에두고“확률 이론”을 사용하는 물리학의 측면을 언급했다.
힐버트의 여섯 번째 문제가 제 2 법칙에 대해 아직 깨 졌는지 여부는 맛의 문제인 것 같습니다. Scandolo는“힐버트의 여섯 번째 문제는 완전히 해결되지 않았으며 개인적으로 물리의 기초에서 매우 흥미롭고 중요한 연구 방향이라고 생각합니다. "여전히 열린 문제가 있지만, 충분한 시간과 에너지가 그들에게 바치면 가까운 미래에 해결 될 것이라고 생각합니다."
.어쩌면, 제 2 법을 다시 해제하는 실제 가치는 힐버트의 유령을 만족시키는 것이 아니라 법 자체에 대한 우리의 이해를 심화시키는 데 있습니다. 아인슈타인이 말했듯이,“이론은 구내의 단순성이 커질수록 더 인상적 일 수있다”고 말했다. Yunger Halpern은 문학적 학자들이 여전히 셰익스피어의 연극과시를 재분석하는 이유와 법을 수행하려는 동기를 비교합니다. 그러한 새로운 분석이“더 정확하기 때문에”가 아니라,이 심오한 작품이 끝없는 영감과 통찰의 근원입니다.
.
