Fizikçiler 19. yüzyılda termodinamik yasalarını kuantum alanına taşıdılar. Yapılan bu alan değişikliği ile enerji, entropi ve bilgi arasındaki ilişkiler yeniden yazıldı.
28 yaşındaki Fransız Mühendis Sadi Carnot Ateşin Hareket Ettirici Gücü Üzerine Düşünceler (Reflections on the Motive Power of Fire) kitabının yazarıdır.
1824 yılında yazdığı kitabında, bir pistonu itebilecek veya bir tekerleği döndürebilecek düzenli bir enerji türü olan buhar motorlarının ısıyı ne kadar verimli bir şekilde dönüştürdüğünü gösteren bir formül geliştirdi.
Buharın günümüzde yaygın bir enerji türü olduğu biliniyor. Carnot’u şaşırtan ise mükemmel bir motorun verimliliğinin sadece motorun ısı kaynağı arasındaki sıcaklık farkına bağlı olduğunu keşfetmesi idi. Carnot aynı zamanda sıcaklığın sıcak olan gövdeden daha soğuk bir alana geçtiğinin farkına vardı.
Carnot verimlilik formülünün termodinamik teorisine dönüştüğünü göremeden koleraya yakalanıp öldü. 19. yüzyılda sıcaklık ile karşılıklı etkileşimi belirleyen bir dizi evrensel kanun ve yeni kavram ortaya çıktı. (sıcaklık, iş, enerji ve entropi ) Termodinamiğin yasaları sadece buhar motorları için değil Güneş, kara delik ve tüm evrendeki yaşayan her şey için de geçerli oldu. Teori gayet basitti: Albert Einstein’ın genellemesi ile “Asla yıkılan sen olma”
Başından beri termodinamik, doğa teorileri arasında farklı ve garip bir konuma sahiptir.
Journal of Physics A’nin yazarı ve FizikçiLídia del Rio “Fiziksel teoriler insanlar olsaydı, termodinamik köyün cadısı olurdu.
Bir şekilde diğerlerinden farklı olması onu tuhaf gösteriyor. Ve kimse onunla çelişmeye cesaret edemez.” dedi.
Standart model; bazı fizikçilerin aksine var olanı elde etmeye çalışan termodinamiğin yasaları yalnızca ne yapıp yapamayacağını söyler. Ama teori ile ilgili en garip şeylerden birisi bu kuralların subjektif olmasıdır.
Bir arada, hepsi aynı sıcaklıkta görünen (ve dolayısıyla iş yapamayan) parçacıklardan oluşan bir gaz daha yakından incelendiğinde, sonuçta sömürülmüş olabilecek mikroskopik sıcaklık farklılıklarına sahip olabilir.
Termodinamiğin Yeni Anlayışı
Son yıllarda, termodinamiğin devrimci bir anlayışı ortaya çıktı. Bu öznellik, kuantum bilgi teorisi kullanılarak açıklanıyor.
“Fiziksel teoriler arasında yürümeye başlamış bir çocuk” olan Del Rio ve diğer yazarların da söylediği gibi, bilginin kuantum sistemleri vasıtasıyla yayılmasının açıklanmasıdır. Tıpkı termodinamiğin ilk önce buhar motorlarını geliştirmeye çalışarak büyümesi gibi. Günümüz termodinamikçileri, kuantum makinelerinin işleyişini inceliyorlar.
Bir iyon motoru ve üç atomlu dondurucudan oluşan küçülen teknoloji, son bir yıl içinde ilk kez deneysel olarak gerçekleştirildi. İncelemeler, Termodinamiği sıcaklık ve iş gibi kavramların normal anlamlarını kaybederek kuantum alana yaymayı da zorunlu hale getiriyor.Ve klasik kanunları da mutlak olmaktan çıkarıyor.
Araştırmacılar, orijinallerin üzerine çıkacak yasaların yeni, kuantum versiyonlarını buldular. Teoriyi aşağıdan yukarı doğru yeniden yazmak, uzmanlar için temel kavramları, öznel nitelikleri ve enerji ile bilgi arasındaki derin ve çoğunlukla şaşırtıcı ilişkiyi ortaya çıkardı.
Fiziksel durumların ayırt edilmesi ve bilgi ölçülmesi için soyut 1 ve 0’lar. “Kuantum termodinamiği” tipik bir coşkunluk ve karışıklık karışımı ile işaretlenmiş bir alan olarak ortaya çıktı.
Araştırmada en çok çabayı gösteren liderlerden olan Bristol Üniversitesi Fizik Profesörü Sandu Popescu “Termodinamiğin cesur yeni bir dünyasına giriyoruz. Klasik termodinamik başlangıçta çok iyi olarak görülüyordu. Ancak şimdi tamamen farklı bir bakış açısına sahibiz.” dedi.
Entropi Belirsizliği
1867’de arkadaşı Scotsman Peter Tait’e yazdığı mektupta Maxwell, şu an ünlü paradoksunun, termodinamik ve bilgi arasındaki bağlantıyı ima ettiğini açıkladı. Parodoks termodinamiğinin ikinci yasası da önem taşır. (Kural entropinin her zaman arttığını söyler.)
Sir Arthur Eddington daha sonra “ikinci kural doğanın kanunları arasındaki en üst konumu koruyor” dedi. İkinci kurala göre daha sıcak olandan daha soğuk olana doğru cisimlere yayılırken sıcaklık farkı azaldığından, enerji daha düzensiz ve daha az kullanışlı hale gelir.
(Carnot’un iş yapmak için sıcak ve soğuk bir cisme ihtiyaç duyulduğunu keşfettiğini hatırlayın.) Ateşler kaybolur, fincandaki kahve serinleşir ve evren, “ısı ölümü” olarak bilinen üniform bir sıcaklığa doğru fırlar ve bundan sonra daha fazla iş yapılmaz.
Büyük Avusturyalı fizikçi Ludwig Boltzmann, enerji dağılımlarının ve entropinin basit bir istatistik meselesi olarak arttış gösterdiğine dikkat çekmiştir.
Bir sistemde yer alan parçacıklar arasında enerjinin birkaç kişide yoğunlaşmasının çok daha fazla yolu vardır. Böylece partiküller hareket edip etkileşim kurabilirler. Doğal olarak enerjilerin giderek paylaşıldığı devletlere yönelirler.
Fakat Maxwell aydınlanmış bir varlığın olduğu deneyinde (Daha sonra Maxwell’in şeytanı olarak anılır.) bilgilerini entropiyi düşürmek ve ikinci yasayı ihlal etmek için kullanır. Söz konusu şeytan, bir gaz kutusunda her bir molekülün konumlarını ve hızlarını bilir.
Termodinamik Paradoksu
Şeytan kabın bölünmesi ve iki bölme arasındaki küçük bir kapıyı açıp kapatmasıyla sadece yavaş moleküllerin öbür yönde gitmesine izin verirken, hızlı hareket eden moleküllerin tek bir tarafa girmesini sağlar.
Şeytan enerjisini yoğunlaştırıp ve bütün entropisini düşürerek gazı sıcak ve soğuk olarak böler. Bir zamanlar işe yaramayan gaz şimdi işe kullanılabilir.
Maxwell ve diğerleri, doğa kanunlarında moleküllerin hız ve konumlarının nasıl bir kişinin bilgisine bağımlı olabileceğini merak ettiler. (Ya da Cahilliğin) Termodinamiğin ikinci yasası bir kişinin bilgisine bağlıysa, bu nasıl olabilir?
Bir yüzyıl sonra Amerikalı Fizikçi Charles Bennett, Leo Szilard ve Rolf Landauer tarafından oluşturulan termodinamiği resmi genç bilgi bilimine bağlayarak paradoksu çözdü. Bennett, şeytanın bilgisinin hafızasında saklandığını ve zor da olsa hafızanın temizlenmesi gerektiğini savundu. (1961’de Landauer, oda sıcaklığında bir bilgisayarda depolanmış bilginin bir bitini silmek için en az 2,9 zeptojoule enerji gerektiğini hesapladı.)
Başka bir deyiş ile şeytan, sıcak ve soğuk olarak gazı düzenler ve gazın entropisini düşürür. Beyin enerji yakar ve telafi etmek için yeterli entropi üretir. Gaz-şeytan sisteminin genel entropisi artar, termodinamiğin ikinci yasasını tatmin eder.
Bulgulara göre, Landauer’in kullandığı gibi “Bilgi fizikseldir.” Sahip olduğunuz daha fazla bilgiyi ayırabilir misin?
Kuantum Bilgisayarı
Maxwell’in iblisi, ortalama bir kullanıcıdan çok daha fazla bilgiye sahip olduğundan, tek sıcaklıklı bir gazdan arınabilir.
Ama aradan bir buçuk asır daha geçti ve kuantum bilgi teorisinin yükselişi Kuantum bilgisayarın ardısıra oluşan bir alanda Fizikçiler şaşırtıcı etkileri tam olarak keşfetmek için çalıştılar.
Son on yılda, Popescu ve Bristol meslektaşları diğer gruplarla birlikte, enerjinin sıcak nesnelerden soğuk nesnelere yayıldığı konusunda tartıştı. Çünkü bilgi parçacıklar arasında yayılıyordu.
Kuantum teorisine göre Parçacıkların fiziksel özellikleri olasılık saldır. 1 veya 0 olarak temsil edilebilirler yerine, 1 olma ihtimaline ve aynı anda 0 olma ihtimaline sahip olabilirler.
Parçacıklar etkileşince Her iki devletini de tanımlayan olasılık dağılımlarını birleştirerek birbirine karışabilirler. Kuantum teorisinin temel direklerinden biri, bilginin Parçacıkların durumlarını temsil eden olasılıklı 1 ve 0 asla kaybolmaz. (Evrenin bugünkü durumu, geçmişle ilgili tüm bilgileri korur)
Ancak zaman geçtikçe, parçacıklar etkileşime girip giderek birbirine karışmaktadır. Kendi devletleri hakkında bilgiler yayılır ve daha fazla parçacık arasında karıştırılır ve paylaşılır. Popescu ve meslektaşları artan kuantum dolaşımı okunun, beklenen entropi artışının altında yattığına inanıyorlar.
Zamanın termodinamik oku. Bir fincan kahve oda sıcaklığı kadar soğur diye açıklıyorlar. Çünkü kahve molekülleri hava molekülleri ile çarpışır. Onların çevredeki hava tarafından paylaşılan bilgileri sızdıran moleküller.
Entropinin öznel bir önlem olarak anlaşılması, evrenin hiç bir zaman bilgi kaybetmeden gelişmesine izin verir. Evrenin parçaları olarak kahve, motor ve insanlar gibi kuantum bilgileri seyrelttikçe entropi deneyimi artar. Evrenin küresel entropisi sonsuza dek sıfırdır.
İsviçre Zürih ETH’de Proseför Renato Renner, bunu perspektif içinde radikal bir değişim olarak nitelendirdi. 15 yıl önce “Entropiyi termodinamik bir sistemin malı olarak düşündük. Şimdi bilgi teorisinde, entropinin bir sistemin mülkiyetinde olduğunu söyleyemeyiz. Ancak sistem onu açıklayan bir gözlemcinin malıdır.” dedi.
Dahası, enerjinin iki forma sahip olduğu fikri, işe yaramaz ısı ve faydalı iş.
Simetri’den Termodinamiğe
El değiştirip asla yıkılamayacak olan bilgi, enerji ve diğer “korunan miktarlar” arasındaki ilişki, geçtiğimiz Temmuz ayında eş zamanlı olarak Nature Communications’da yayınlanan iki makalede yeni bir yaklaşım oluşturdu.
Bunlardan birisi Bristol ekibi, diğeri ise Jonathan Oppenheim‘ın yer aldığı ekip olan Oppenheim, University College London’da. Her iki grup, bilgiyi diğer maddi kaynaklarla ticaret arasında para birimi olarak kullanan varsayımsal bir kuantum sistemini tasarladı.
Hem enerji hem de açısal momentuma sahip olan (her ikisi de dolaşıyor ve dönüyorlar) büyük bir kap ya da rezervuar düşünün. Bu hazne, kaldırmak için enerji alan bir ağırlığa ve hızlanma veya yavaşlama için açısal momentum alan bir döner tabla ile bağlı.
Normalde, tek bir rezervuar herhangi bir iş yapamaz – bu, sıcak ve soğuk rezervuar ihtiyacına ilişkin Carnot’un keşfine geri dönüyor. Ancak araştırmacılar, çok sayıda korunan miktar içeren bir rezervuarın farklı kuralları izlediğini bulmuşlardır.
Popescu “Enerji ve açısal momentum gibi korunan iki farklı fiziksel miktarınız varsa her ikisini de içeren bir banyo bulunduğunuz sürece, bunları bir başkası için ticaret yapabilirsiniz.” dedi.
Hayali ağırlığa sahip hazne-döner tabla sisteminde, döner levha yavaşlarken ağırlık kaldırılabilir veya tersine ağırlığın düşürülmesi döner levhanın daha hızlı dönmesine neden olur.
Araştırmacılar, parçacıkların enerji ve dönme durumlarını tanımlayan kuantum bilgilerinin, rezervuarın enerjisi ile açısal momentum kaynakları arasındaki ticareti mümkün kılan bir tür para birimi olarak işlev gördüğünü buldular.
Korumalı miktarların kuantum sistemlerinde birbirleri ile ticaret yapabileceği fikri yepyeni. Buradan hareketle sadece enerji akışını değil, aynı zamanda evrendeki tüm korunan miktarlar arasındaki karşılıklı etkileşimi açıklayan daha kapsamlı bir termodinamik teoriye ihtiyaç duyulabilir.
Oppenheim, enerjinin termodinamik öyküye şimdiye kadar hakim olması gerçeğinin derin olmasından ziyade açıklayıcı olabileceğini belirtti. Carnot ve halefleri, sadece bir ihtiyaç olsaydı, örneğin motor teorisine göre açısal momentumun akışını yöneten bir termodinamik teori geliştirmiş olabilirlerdi.
Oppenheim “Ekstrakta etmek ve kullanmak istediğimiz enerji kaynaklarımız var. Çevremizde büyük açısal momentumlu ısı banyolarımız olmadığı durumda olabilir. Büyük jiroskoplara rastlamıyoruz.” dedi.
Geçen yıl kuantum bilgi teorisi ve kuantum temelleri konusundaki görüşleri nedeniyle Dirac Madalyası kazanan Popescu, kendisinin ve işbirlikçilerinin “kuantum mekaniğini bir köşeye doğru itmek” yoluyla çalıştıklarını, bir araya gelerek yeni bir bakış açısına doğru ilerlediklerini ileri sürdü.
Evrenin Dönme Simetrisi
Popescu, birbiri ile ilgili denklemleri türetmek kolaydır. Bazı gerçekleşmeler kristalleşme sürecindedir. Popescumart ayında birkaç telefon görüşmesi yaptı. Bilgi ve diğer korunan nicelikler arasındaki ayrımı gösteren yeni bir düşünce deneyinin tartışıldığını ve doğadaki simetrilerin birbirinden nasıl farklılaştırabileceğinin gösterildiğini açıkladı.
Popescu “Siz ve ben uzak galaksilerde farklı gezegenlerde yaşıyoruz varsayalım. “ diyerek gezegenini bulmak için nereye bakmak gerektiğini açıklıyor. Tek sorun, bu fiziksel olarak imkansız. “Hamlet hikayesini size gönderebilirim. Fakat ben size bir yön gösteremem.” dedi.
Popescu, “doğa bize [referans çerçevesi] sağlamadığından” birbirlerinin gök adalarını bulmak için hangi yönde saf, yönsüz 1’li ve 0’lu bir dille ifade etmenin hiçbir yolu yoktur “dedi. Eğer öyleyse (Eğer küçücük oklar, evrenin dokusundaki hareket yörüngesinde her yerde dikilmişse) bu, evrenin simetrisi olan “dönme değişmezlik” i ihlal ederdi.
Döner levhalar, evrenin hareketiyle hizalandığında daha hızlı dönmeye başlayacak ve açısal momentumun korunmuşluğu azalacaktı. 20. yüzyılın başındaki matematikçi Emmy Noether, her simetrinin koruma yasası ile geldiğini ispatladı. Evrenin dönme simetrisi, açısal momentum dediğimiz bir miktarın korunmasını yansıtır. Popescu’nun düşünce deneyinde, mekansal yönü bilgiyle ifade etmenin olanaksızlığının “koruma yasasıyla ilişkili olabileceği” belirtiliyor.
Hologram
Bilgi açısından evrene ilişkin her şeyi ifade etmenin yetersizliği, doğanın daha temel bir tanımını aramakla alakalı olabilir. Son yıllarda, birçok teorisyen, uzay-zamanın, evrenin bükülmüş dokusunun ve içinde maddi ve enerjinin dolaştırılmış bir kuantum bilgisinden oluşan bir hologram olabileceğine inanmaya başlamıştır.
Oppenheim “Bu konuda dikkatli olmalı, çünkü bilgi, uzay-zaman gibi diğer fiziksel özelliklerden farklı davranıyor.”dedi.
Kavramlar arasındaki mantıksal bağlantıları bilmek, fizikçilerin kara deliklerin içine girmelerini, sıcaklık ve entropilerin bulunduğu ve bir şekilde bilgi yayınlayan gizemli uzay-zaman yutan nesneleri akıl etmesine yardımcı olabilir.
Popescu “Kara deliğin en önemli özelliklerinden biri termodinamiğidir. Fakat kara deliklerde tartıştıkları termodinamiğin türü karmaşık bir konudur. Termodinamik üzerine tamamen yeni bir görüş geliştiriyoruz.” dedi.
Popescu “Bu araştırma yapılmalıdır. Geliştirdiğimiz bu yeni araçlar geri gelip kara delikte kullanılacak.” dedi.
Teknoloji Uzmanlarına Açıklanacak Bilgiler
Exeter Üniversitesi’nden kuantum bilgi bilimcisi Janet Anders, kuantum termodinamiğini anlamaya yönelik teknoloji odaklı bir yaklaşımı benimsiyor. Anders “Eğer daha ileri gidersek [ölçekte], iyi bir teoriye sahip olmadığımız bir bölgeye gideceğiz. Asıl soru; Teknolojistleri anlatmak için bu bölge hakkında bilmemiz gereken şey nedir?” sorusudur, dedi.
2012’de Anders, 300 üyesi olan kuantum termodinamiğine ayrılmış bir Avrupa araştırma ağı tasarladı ve ortaklık kurdu. Bu şekilde Ağdaki meslektaşları ile bir gün kuantum motorlarının ve buz dolaplarının kuantum geçişlerini yöneten kuralları keşfetmeyi umuyor; bu da bilgisayarları olumlu olarak yönlendiriyor, serinleyebilir güneş panellerinde, biyomühendislik ve diğer uygulamalarda kullanılabilir şekle dönüştürüyor.
Zaten, araştırmacılar, kuantum motorlarının neler yapabileceğini henüz tam anlamıyla açıklayamıyor. 2015 yılında Kudüs İbrani Üniversitesi’ndeki Raam Uzdin ve arkadaşları, kuantum motorların klasik motorlara üstün geldiğini hesapladı.
Bu olasılıklı motorlar, sıcak ve soğuk cisimler arasında geçen enerjiden ne kadar çok çalışma elde edebildikleri açısından Carnot’un verimlilik formülünü hala takip ediyor. Ancak bazen işleri daha fazla güçle çıkararak daha hızlı güç kazanabilirler.
Nisan 2016’da yapılan Bilimsel bir araştırmada, tek bir iyondan yapılmış bir motor güç arttıran kuantum efektini kullanmasa da deneysel olarak gösterildi.
Popescu, Oppenheim, Renner ve onların kohortları da daha somut keşifler peşindeler. Oppenheim ve eski öğrencisi Lluis Masanes, Mart ayında, kuantum bilgi teorisini kullanarak, termodinamiğin üçüncü kanununa dayanan – mutlak sıfır sıcaklığa ulaşmanın imkansızlığı hakkında tarihsel olarak karmaşık bir bildiriyi içeren bir çalışma yayınladı.
Yapılan çalışmada, sonucun mutlak sıfıra ulaşmasını engelleyen “soğutma hızı sınırı” nın, sonlu boyutlu bir cisimdeki parçacıkların bilgi akışının ne kadar hızlı olabileceğinin sınırından kaynaklandığı bilgisi verildi.
Kuantum Soğutucuları
Hız sınırı, Şubat ayındaki ön baskıda bildirildiği gibi, kuantum soğutucuların soğutma yetenekleri ile ilişkili olabilir.
Oppenheim ve diğer işbirlikçiler, 2015 yılında termodinamiğin ikinci yasasının, kuantum motorlar da dahil, parçacıkların fiziksel durumlarını tanımlayan dağılımlarının nasıl geliştiğine dair kısıtlamaların kuantum ölçeklerde, ikinci bir “kanun”önerisiile değiştirildiğini kanıtladılar.
Kuantum termodinamiği hızlı bir şekilde büyüdükçe, bir dizi yaklaşım ve bulguyu üretirken, bazı geleneksel termodinamikçiler karışıklığı görürler.
Almanya’daki Augsburg Üniversitesinde vokal eleştirmen olan Peter Hänggi, bilginin öneminin, kuantum bilgisayar uygulamacıları tarafından aşırı takip edilmekle birlikte, kainatın fiziksel bir şey yerine dev bir kuantum bilgi işlemcisi olarak düşünülmesinin hatalı olduğunu düşünüyor.
Kuantum bilgi teorisyenlerini, termodinamik ve bilgi teorik çeşitleri gibi entropi kafa karıştırmakla ve bunları uygulanmadığı alanlarda kullanmakla suçluyor. Hänggi, Maxwell’in iblisi “sinirlerimin üzerine çöker” dedi. Oppenheim ve şirketin termodinamiğin ikinci “kanunları” hakkında görüşleri sorulduğunda, “Benim kan basıncımın neden yükseldiğini görüyorsunuz” dedi.
Hänggi Eleştirisi
Hänggi, eleştirisinde (kuantum-bilgi teorisyenleri termodinamik ve bilgi-teorik entropi arasındaki bağlantıları incelemek için) eski moda olarak görülürken, diğer termodinamikçiler bazı geçerli noktalara dikkat çektiğini belirttiler.
Örneğin, kuantum bilgi teorisyenleri, soyut kuantum makinelerini çağırdığında ve onlarla çalışıp çalışamayacaklarını görünce bazen aynı kuantum olasılığını yok ederek, kuantum sisteminden nasıl ayıkladınız sorusunu sorduğunda.
Anders ve işbirlikçileri kısa süre önce kuantum işi oluşturma ve saklama konusundaki yeni fikirlerle bu konuyu ele almaya başladılar. Fakat kuramsal literatür her alanda geçerliliğini korumaktadır.
Hanggi, “Masada karışıklık içinde bir miktar heyecan verici şeyler atıldı; Onları düzene sokmamız gerekiyor “dedi. Quantum buzdolabını bildiren ekibin bir parçası olan National University of Singapore‘daki kuantum bilgi teorisyeni ve termodinamik uzmanı Valerio Scarani.
“Biraz senteze ihtiyacımız var. Şu ana kadar olan fikirleri, orada olduğunu anlamak zorundayız; Elimizdeki fikirlere uyuyor. Sekiz iş tanımımız var; Belki hangisinin doğru olduğunu anlamaya çalışmalıyız, sadece dokuzuncu bir iş tanımını ortaya çıkarmamız gerekiyor.” dedi.
Valerio Scarani, Oppenheim ve Popescu Hänggi’ye tamamen katılıyorum, çünkü evrenin fizikselliğini önemsememe riski var. Oppenheim “Her şeye inanan bilgi kuramcılarına dikkat ediyorum. Buhar motoru geliştirildiğinde ve termodinamik tam anlamıyla salınımdayken, evrenin sadece büyük bir buhar motoru olduğunu ileri süren insanlar vardı.
Gerçekte, “durum bundan çok daha karışıktır” dedi. Kuantum termodinamiğiyle ilgili olarak Oppenheim’in sevdiği şey şu: “Bu iki temel nicelikte – enerji ve kuantum bilgisine sahipsin – ve bu iki şey birlikte buluşuyor. Bu bana güzel bir teori oluşturuyor “dedi.
