De truc (?) om met een kwantumthermometer (rood) de temperatuur in een kwantumssysteem te bepalen (afb: TU Wenen)

De kwantumwereld is (ons) zo vreemd dat het lijkt over er, ten  minste, twee verschillende werelden bestaan: de echte, direct waarneembare en de kwantumwereld. Toch moeten die elkaar ergens ontmoeten. Hoe kunnen de thermodynamicawetten (of ik zou eigenlijk regels moeten zeggen) ontstaan uit de kwantumregels? Nu zouden onderzoeksters hebben uitgevogeld dat alleen waar chaos heerst de thermodynamicaregels voortkomen uit de kwantumregels.
Een afzonderlijk deeltje heeft geen temperatuur. Het heeft een hoeveelheid energie en snelheid, maar het is niet mogelijk die eigenschappen te vertalen naar de warmteinhoud (temperatuur). Alleen als er sprake is van meer deeltjes met een snelheidsverdeling ontstaat er zoiets als temperatuur.
Hoe kunnen de regels (wetten) van de warmtebewegingsleer voortkomen uit de kwantumnatuurkundige regels? Die vraag schijnt al vele onderzoekers te hebben beziggehouden. Bij de TU in Wenen hebben onderzoeksters rekenmodellen gebruikt en zijn op basis van de uitkomsten van de rekenexercities tot de conclusie gekomen dat chaos daarin een wezenlijke rol speelt.
In de atmosfeer om ons heen vliegen moleculen heen en weer en in theorie kunnen die zich in allerlei verschillende toestanden bevinden, met verschillende snelheden en op diverse plaatsen. Al die toestanden zijn waarschijnlijk. “Je zou je kunnen voorstellen dat in een ruimte een deeltje zich beweegt met een extreem hoge snelheid, terwijl de rest van de deeltjes zich in rust bevindt”, zegt Iva Brezinova. “Dat is echter zo onwaarschijnlijk dat het nooit is waargenomen.”

De waarschijnlijkheid van de verschillende toegestane toestanden kan worden berekend aan de hand van de formule van Ludwig Boltzmann, een klassieke natuurkundige. Met de waarschijnlijkheidsverdeling kan de temperatuur worden bepaald, maar dan voor een groot aantal deeltjes.

Kwantumtoestand

Dat geeft echter problemen als je met de kwantummechanica aan de slag gaat. Als er een groot aantal kwantumdeeltjes aanwezig is op hetzelfde moment, dan worden de kwantumberekeningen wat ingewikkeld. Zelfs de beste supercomputers moeten dan passen.
In de kwantummechanica wisselwerken alle deeltjes onderling met elkaar. Die hebben geen ‘eigen leven’. Ze kunnen alleen in samenhang met andere deeltjes beschreven worden in een grote golfvergelijking.

“Het hele systeem wordt beschreven als een enkele grote meerdeeltjeskwantumtoestand”, zegt medeonderzoeker Joachim Burgdörfer. “Hoe je daar een temperatuur uit kan halen was tot nu toe nog een grote puzzel.”
Als je weet dat chaos een grote rol speelt dan kun je een rekenmodel gebruiken van vele ononderscheidbare deeltjes en een thermometerdeeltje.
Elke kwantumgolf van het grote systeem bevat een hoeveelheid energie maar heeft geen vast te stellen temperatuur net als een afzonderlijk klassiek deeltje. Als je nu van het thermometerdeeltje de snelheid meet dan krijg je verrassenderwijs (stelt het persbericht) de snelheidsverdeling die correspondeert met een bepaalde temperatuur die overeenkomt met die uit de thermodynamica.
Brezinova: “Of dat werkt hangt van de chaos af, hebben de berekeningen duidelijk aangetoond. We kunnen de wisselwerking tussen de deeltjes veranderen om een totaal chaotisch systeem te krijgen of een toestand waarin dat niet zo is of iets er tussenin.” Als je dat doet dan blijkt dat chaos bepaalt of in een kwantumtoestand dat thermometerdeeltje een temperatuurverdeling geeft volgens de Boltzmannformule of niet. Hoe goed dat past hangt af van de mate van chaos, stelt Burgdörfer. Het zou een van de eerste gevallen zijn waarbij drie belangrijke theorieën met elkaar zijn verknoopt: de kwantumtheorie, thermodynamica en de chaostheorie. De wereld is een grote chaotische kwantumtoestand. Dat idee bevalt me (=as) wel.

Bron: Science Daily