Tek bir parçacığın sıcaklığı olabilir mi? Standart sıcaklık anlayışımızla bu imkansız görünebilir, ancak köşe yazarı Jacklin Kwan kuantum aleminde bunun tam olarak göz ardı edilmediğini buluyor
Aşağıdakiler Lost in Space-Time haber bültenimizden bir alıntıdır. Her ay evrenin dört bir yanından büyüleyici fikirlere dalıyoruz. Yapabilirsiniz Lost in Space-Time’a buradan kaydolun.
Bilimle ilgili en saçma şeylerden biri, yıllarca evrenin en derin gizemlerini (karanlık madde, kuantum yerçekimi, zamanın doğası) inceleyerek ve okuyarak geçirebilmeniz ve yine de aldatıcı derecede basit bir şeye takılıp kalabilmenizdir. Nobel ödüllü teorik fizikçi Richard Feynman, öğrenciyken aynaların görüntüleri neden yukarı aşağı çevirmek yerine soldan sağa çevirdiğini gerçekten anlamadığını itiraf etti. Ben Feynman değilim; Aynaların nasıl çalıştığını biliyorum. Ama ben de apaçık ortada olan sıcaklıkla ilgili alçakgönüllü bir hesaplaşma yaşadım.
İlk mağara çocuğunun elini ateşe sokmasından ve endişeli bir ebeveyn tarafından kendisine bağırılmasından bu yana her şeyin sıcak ya da soğuk olabileceğini biliyorduk. Ancak sıcaklıkla kastettiğimiz şey yüzyıllar boyunca çok değişti ve fizikçiler onu daha tuhaf kuantum köşelerine ittikçe bugün de gelişmeye devam ediyor.
Benim bu konudaki deneyimim, bir keresinde bana şu soruyu soran partnerim aracılığıyla geldi: “Benim güzel ve şaşırtıcı derecede zeki karım, sen fizik okumadın mı? O halde söyle bana, tek bir parçacığın sıcaklığı olabilir mi?” Burada biraz başka kelimelerle ifade ediyor olabilirim ama temelde bu onun sorusuydu.
Şimdi, ilk önsezisi doğruydu: hayır, olamaz, aslında değil. Çoğu bilim meraklısı, sıcaklığın yalnızca tek bir parçacığa atayabileceğiniz bir şey olmadığını biliyor. Sıcak ve soğuk meselesi yalnızca gaz dolu pistonlar, kahve fincanları veya yıldızlar gibi çok çok sayıda parçacık içeren sistemlerin bir özelliği olarak anlamlıdır. Bunun nedeni, normalde tanımladığımız şekliyle sıcaklığın bir tür kısaltma olmasıdır. Bir sistemin mikroskobik bileşenlerinin ortalama enerjisini, etrafa sıçradıklarında yakalar ve enerjilerini eşit bir şekilde dağıtarak denge olarak bilinen bir duruma ulaşırlar.
Her basamağı farklı bir enerji seviyesini temsil eden bir merdiven gibi düşünün. Basamak ne kadar yüksek olursa parçacığın enerjisi de o kadar fazla olur. Çok fazla parçacık olduğunda, bunların tahmin edilebileceği gibi basamaklara yayılmasını bekliyoruz. Parçacıkların çoğu dibe yakın bir yere yerleşir, birkaçı bir basamak daha yükseğe tırmanmaya yetecek enerjiye sahiptir ve daha azı da bundan daha yükseğe çıkar. Sonuç, merdivenden yukarı çıktıkça düzgün, azalan sayıda parçacıktır.
Peki sıcaklığı neden bu şekilde tanımlıyoruz? Elbette bu bir ortalama, ancak matematikte bizi tek noktalı bir veri kümesinin ortalamasını almaktan alıkoyan hiçbir şey yok. Bir odada uzun boylu bir kişi varsa, o odadaki insanların ortalama boyunu 1,8 metre olarak adlandırırken gözümüzü kırpmayız. Neden aynısını burada yapmıyoruz?
Bunun nedeni, sıcaklığın sadece tanımlayıcı değil, aynı zamanda öngörücü olmasıdır. 17. ve 18. yüzyıllarda yakıtın, ateşin ve buharın gücünden yararlanmaya çalışan bilim adamları için, iki sistem etkileşime girdiğinde ne olacağını onlara bildiren sıcaklık çok yararlı oldu.
Termodinamiğin sıfırıncı yasasının ortaya çıkmasına neden olan şey buydu; bu yasaların sonuncusu ama en temel olanı. Şöyle olur: Eğer bir termometre bir bardak ılık suda 80°C’ye ulaşırsa ve bir bardak ılık sütte de 80°C’ye ulaşırsa, o zaman iki sıvıyı karıştırırsak aralarında net bir ısı alışverişi olmamalıdır. Bu bariz, hatta banal gelebilir ama klasik termometrenin temelidir.
Ve bu yalnızca büyük sistemlerin istatistiksel olarak kararlı davranışlar sergilemesi nedeniyle geçerlidir. Belirli parçacıklar arasındaki enerjideki küçük dalgalanmalar silinir ve büyük sayılar yasası genelleştirilebilir sonuçlar yazmamıza olanak tanır.
Termodinamik bu açıdan tuhaftır. Örneğin düşen bir elma veya bin elma için gayet iyi çalışan Isaac Newton’un hareket yasalarının aksine, termodinamik yasalar yalnızca belirli ölçekte ortaya çıkar. Ortalamalara, topluluklara ve parçacık sayınız milyarlara ulaştığında ortaya çıkan matematiksel sihire güveniyorlar.
Yani: tekil parçacıkların sıcaklığı yoktur. Dava kapandı.
Ya da ben öyle düşündüm. Ancak tam da ilerlemeye hazır olduğumu hissettiğimde fizik beni şaşırttı. İşlerin gerçekten garipleşmek üzere olduğunun ilk kanıtı, birçok kuantum sisteminin hiçbir zaman kararlı özelliklere sahip olmayan çok az sayıda parçacıktan oluşmasıdır.
Tek tek atomlar veya tekil dönüşler gibi küçük sistemler, hiçbir zaman gerçekten yerleşmeyen tuzağa düşmüş durumlar olabilir. Hatta bazıları barışçıl denge durumuna tamamen direnecek şekilde kasıtlı olarak tasarlandı. Öyleyse eğer sıcaklığın, olaylar sakinleştikten sonra ne olacağını tanımlaması gerekiyorsa, o zaman bizim sıcaklık tanımımız da çökmüyor mu?
Sıcaklık tam olarak nedir?
Fizikçiler, kuantum aleminde sıcaklığa sahip olmanın ne anlama geldiğini göz önünde bulundurarak, sıcaklığı temelden yeniden düzenlemek için çok çalışıyorlar.
Termodinamiğin öncüleriyle aynı ruhla araştırmacılar artık sıcaklığın ne olduğunu değil, ne yaptığını soruyorlar. Bir kuantum sistemini alıp başka bir şeye bağlarsak ısı hangi yönde hareket eder? Sistem komşusunu ısıtabilir mi? Soğutabilir mi?
Kuantum dünyasında cevap her ikisi de olabilir! Parçacıkların tırmanabileceği sıcaklık merdivenine geri dönelim. Klasik dünyada sıcaklığın kuralları basittir. İki merdiven (iki sistem) etkileşime girdiğinde, enerji her zaman daha yüksek basamaklarda daha fazla parçacık bulunan sistemden daha az olana doğru akar.
Ancak bir kuantum sistemi aynı kurallara uymaz. Kuantum sistemlerinin alt basamaklarında hiç parçacık bulunmayabilir, bunun yerine bunların tümü daha üst basamaklarda toplanabilir. Tüm basamaklara eşit şekilde dağılmış düzensiz parçacık dağılımlarına sahip olabilirler. Süperpozisyon aynı zamanda parçacıkların basamaklar arasında var olmasını da mümkün kılar. Kuantum mekaniği devreye girdiğinde merdivenimiz artık fizikçilerin “termal olarak düzenlenmiş” dediği türden değil.
Bu, bir merdivenin bir şeyle etkileşime girmesi durumunda ısının nasıl akacağını tahmin etmeyi zorlaştırıyor. Bununla başa çıkmak için fizikçiler ilginç bir çözüm geliştirdiler: Kuantum sistemlerinin iki sıcaklığı olsun. Basit bir termal sistemi temsil eden bir tür referans merdiveni hayal edin. Bir sıcaklık size sisteminizin hala ısıyı çekebileceği en sıcak merdiveni söyler. Diğeri ise sisteminizin ısıyı yukarı itebileceği en soğuk merdiveni söyler. Bu aralığın dışında ısı öngörülebilir bir yönde akar, ancak içinde sonuç kuantum sisteminin kesin doğasına bağlıdır. Bu, termodinamiğin yeni sıfırıncı yasasıdır; kuantum dünyasında ısının akışının mantığını yeniden kurmamıza yardımcı olabilecek bir şeydir.
Bu iki sınır, sistemin denge durumunda olup olmadığına bakılmaksızın sistemin enerji verme veya alma potansiyelini yansıtır. En önemlisi, bu sıcaklıklar sadece enerjiye değil, aynı zamanda bu enerjinin nasıl yapılandırıldığına da bağlıdır: kuantum parçacıklarının veya durumlarının enerji seviyelerine nasıl dağıtıldığına ve tüm sistemin ne tür geçişleri desteklediğine.
Ve termodinamik öncülleri gibi kuantum fizikçileri de sistemlerinin çalışmasını sağlamakla ilgileniyorlar. Dolanık iki atom düşünün; özellikleri o kadar yakından ilişkilidir ki, birinin ölçülmesi diğerini etkiler. Şimdi bir atomu çevreye maruz bırakın. Bu atom enerji kazandığında veya kaybettiğinde, çifti birbirine bağlayan görünmez kuantum bağlantısını çeker. Bu bağlantıyı kırmanın veya bozmanın, gerilmiş bir lastik bandın kopması gibi bir maliyeti vardır. Bu, kuantum bağlantısı olmadan gerçekleşmeyecek bir ısı akışı yaratır ve bu daha sonra, dolaşma bitene kadar iş yapmak için atomu küçük bir kuantum “pistonuna” bağlayarak kullanılabilir. Araştırmacılar, herhangi bir kuantum durumuna sıcak ve soğuk etkili sıcaklıklar atayarak, bir sistemin ne zaman güvenilir bir şekilde ısı aktarabileceğini, iş çıkarabileceğini veya soğutma ve hesaplama gibi görevleri yürütebileceğini belirleyebilir.
Buraya kadar geldiyseniz itirafım şu: Partnerimle sezgileri doğru olmasına rağmen tek bir parçacığın sıcaklığının olabileceğini tartıştım. Acılı bir kaybeden olmak beni büyük bir tavşan deliğine sürükledi – ve sonuçta ikimizin de bir nevi haklı olduğumuzu buldum. Tek bir parçacık sahip olamaz A sıcaklık, ancak iki tane olabilir.
