የጥቁር ቀዳዳዎች ቴርሞዳይናሚክስ

መልካም የኮስሞናውቲክስ ቀን! ወደ ማተሚያ ቤት ልከናል። "ትንሹ የጥቁር ሆልስ መጽሐፍ". በነዚህ ቀናት ውስጥ ነበር የአስትሮፊዚስቶች ጥቁር ጉድጓዶች ምን እንደሚመስሉ ለአለም ሁሉ ያሳዩት። በአጋጣሚ? አይመስለንም የትሬኾ ፋውንዴሽን.

በቆራጩ ስር "የጥቁር ቀዳዳዎች ቴርሞዳይናሚክስ" የተቀነጨበ።

እስካሁን ድረስ ጥቁር ጉድጓዶች በሱፐርኖቫ ፍንዳታ ወቅት የተፈጠሩ ወይም በጋላክሲዎች ማዕከሎች ውስጥ ያሉ እንደ አስትሮፊዚካል ነገሮች እንቆጥራለን። በተዘዋዋሪ መንገድ የምንመለከታቸው ከነሱ ጋር የሚቀራረቡ የከዋክብትን ፍጥነት በመለካት ነው። በሴፕቴምበር 14, 2015 የ LIGO ዝነኛ የስበት ሞገዶችን ማግኘቱ የጥቁር ጉድጓድ ግጭቶችን ቀጥተኛ ምልከታ የሚያሳይ ምሳሌ ነው። ስለ ጥቁር ጉድጓዶች ምንነት የተሻለ ግንዛቤ ለማግኘት የምንጠቀምባቸው የሒሳብ መሣሪያዎች፡ ልዩነት ጂኦሜትሪ፣ የአንስታይን እኩልታዎች እና የአንስታይን እኩልታዎችን ለመፍታት እና የጥቁር ቀዳዳዎች የፈጠሩትን የቦታ ጊዜ ጂኦሜትሪ የሚገልጹ ኃይለኛ የትንታኔ እና የቁጥር ዘዴዎች ናቸው። እና በጥቁር ጉድጓድ የሚፈጠረውን የቦታ-ጊዜ ሙሉ የቁጥር መግለጫ ልንሰጥ ከቻልን ከአስትሮፊዚካል እይታ አንጻር የጥቁር ጉድጓዶች ርዕስ እንደተዘጋ ሊቆጠር ይችላል። ከሰፊው የንድፈ ሃሳብ እይታ አንጻር፣ አሁንም ለዳሰሳ ብዙ ቦታ አለ። የዚህ ምእራፍ አላማ ከቴርሞዳይናሚክስ እና ከኳንተም ቲዎሪ የተነሱ ሃሳቦች ከአጠቃላይ አንጻራዊነት ጋር ተቀናጅተው ያልተጠበቁ አዳዲስ ፅንሰ-ሀሳቦችን የሚፈጥሩባቸውን አንዳንድ የንድፈ ሃሳባዊ እድገቶችን በዘመናዊው ብላክ ሆል ፊዚክስ ላይ ማጉላት ነው። መሠረታዊው ሀሳብ ጥቁር ቀዳዳዎች የጂኦሜትሪክ እቃዎች ብቻ አይደሉም. የሙቀት መጠን አላቸው፣ በጣም ትልቅ ኢንትሮፒይ አላቸው፣ እና የኳንተም ጥልፍልፍ መገለጫዎችን ሊያሳዩ ይችላሉ። ስለ ጥቁር ጉድጓዶች ፊዚክስ ቴርሞዳይናሚክ እና ኳንተም ውይይታችን ቀደም ባሉት ምዕራፎች ከቀረቡት የቦታ-ጊዜ ጂኦሜትሪክ ባህሪያት ትንተና የበለጠ የተበጣጠሰ እና ላዩን ይሆናል። ግን እነዚህ እና በተለይም ኳንተም ፣ ገጽታዎች በጥቁር ጉድጓዶች ላይ ቀጣይነት ያለው የንድፈ ሃሳባዊ ጥናት አስፈላጊ እና አስፈላጊ አካል ናቸው ፣ እና ውስብስብ ዝርዝሮችን ካልሆነ ፣ ቢያንስ የእነዚህን ስራዎች መንፈስ ለማስተላለፍ በጣም እንሞክራለን።

በክላሲካል አጠቃላይ አንፃራዊነት - ስለ አንስታይን እኩልታዎች የመፍትሄ ሃሳቦች ልዩነት ጂኦሜትሪ ከተነጋገርን - ጥቁር ጉድጓዶች ምንም ነገር ከነሱ ማምለጥ በማይችል መልኩ ጥቁር ናቸው. እስጢፋኖስ ሃውኪንግ የኳንተም ተፅእኖዎችን ከግምት ውስጥ ስናስገባ ይህ ሁኔታ ሙሉ በሙሉ እንደሚለወጥ አሳይቷል-ጥቁር ጉድጓዶች በተወሰነ የሙቀት መጠን ፣ የሃውኪንግ የሙቀት መጠን በመባል የሚታወቁት ጨረር ይለወጣሉ። ለአስትሮፊዚካል መጠኖች ጥቁር ቀዳዳዎች (ይህም ከከዋክብት-ጅምላ እስከ ከፍተኛ ጥቁር ቀዳዳዎች) ፣ የሃውኪንግ የሙቀት መጠን ከጠፈር ማይክሮዌቭ ዳራ የሙቀት መጠን ጋር ሲነፃፀር እዚህ ግባ የሚባል አይደለም - መላውን አጽናፈ ሰማይ የሚሞላው ጨረር ፣ በነገራችን ላይ ፣ ራሱ የሃውኪንግ ጨረር ተለዋጭ ተደርጎ ይወሰዳል። የጥቁር ጉድጓዶችን የሙቀት መጠን ለማወቅ የሃውኪንግ ስሌት ብላክ ሆል ቴርሞዳይናሚክስ ተብሎ በሚጠራው መስክ ትልቅ የምርምር ፕሮግራም አካል ነው። ሌላው የዚህ ፕሮግራም ትልቅ ክፍል በጥቁር ጉድጓድ ውስጥ የጠፋውን የመረጃ መጠን የሚለካው የጥቁር ጉድጓድ ኢንትሮፒ ጥናት ነው። ተራ ቁሶች (እንደ ኩባያ ውሃ ፣ የንፁህ ማግኒዚየም ማግኒዚየም ወይም ኮከብ ያሉ) እንዲሁ ኢንትሮፒ አላቸው ፣ እና የጥቁር ሆር ቴርሞዳይናሚክስ ማዕከላዊ መግለጫዎች አንዱ የተወሰነ መጠን ያለው ጥቁር ቀዳዳ ከማንኛውም ዓይነት የበለጠ ኢንትሮፒ አለው የሚለው ነው። ተመሳሳይ መጠን ያለው ቦታ ፣ ግን ያለ ጥቁር ጉድጓድ ውስጥ ሊይዝ የሚችል ቁስ አካል።

ነገር ግን በሃውኪንግ ጨረሮች እና ብላክ ሆል ኢንትሮፒ ዙሪያ ወደ ተነሱ ጉዳዮች በጥልቀት ከመግባታችን በፊት፣ ወደ ኳንተም ሜካኒክስ፣ ቴርሞዳይናሚክስ እና ጥልፍልፍ ዘርፎች በፍጥነት እንዞር። የኳንተም ሜካኒክስ በዋናነት በ1920ዎቹ የተሰራ ሲሆን ዋና አላማውም በጣም ትንሽ የሆኑትን እንደ አቶሞች ያሉ የቁስ አካላትን ለመግለጽ ነበር። የኳንተም ሜካኒክስ እድገት እንደ የግለሰብ ቅንጣት ትክክለኛ አቀማመጥ የፊዚክስ መሰረታዊ ፅንሰ-ሀሳቦች እንዲበላሹ ምክንያት ሆኗል-ለምሳሌ ፣ የኤሌክትሮን በአቶሚክ ኒውክሊየስ ዙሪያ በሚንቀሳቀስበት ጊዜ ያለው ቦታ በትክክል ሊታወቅ አይችልም ። በምትኩ ኤሌክትሮኖች የተመደቡት ምህዋር የሚባሉት ሲሆን በዚህ ውስጥ ትክክለኛ ቦታቸው ሊታወቅ በሚችል መልኩ ብቻ ነው። ለዓላማችን ግን፣ ወደዚህ ሊገመት የሚችል የነገሮች ገጽታ በፍጥነት እንዳንሄድ አስፈላጊ ነው። በጣም ቀላሉን ምሳሌ እንውሰድ፡- የሃይድሮጅን አቶም። በተወሰነ የኳንተም ሁኔታ ውስጥ ሊሆን ይችላል። የመሬት ሁኔታ ተብሎ የሚጠራው የሃይድሮጂን አቶም ቀላሉ ሁኔታ ዝቅተኛው ኃይል ያለው ግዛት ነው, እና ይህ ኃይል በትክክል ይታወቃል. በአጠቃላይ የኳንተም ሜካኒክስ (በመርህ ደረጃ) የማንኛውም የኳንተም ስርዓት ሁኔታ በፍፁም ትክክለኛነት እንድናውቅ ያስችለናል።

ስለ ኳንተም ሜካኒካል ሲስተም አንዳንድ አይነት ጥያቄዎችን ስንጠይቅ ሊሆን ይችላል. ለምሳሌ፣ የሃይድሮጂን አቶም በመሬት ውስጥ እንዳለ ከተረጋገጠ፣ “ኤሌክትሮን የት አለ?” ብለን መጠየቅ እንችላለን። እና በኳንተም ህጎች መሰረት
መካኒኮች ፣ ለዚህ ​​ጥያቄ የመሆን እድልን የተወሰነ ግምት ብቻ እናገኛለን ፣ በግምት አንድ ነገር “ምናልባት ኤሌክትሮን ከሃይድሮጂን አቶም አስኳል እስከ ግማሽ አንጎስትሮም ርቀት ላይ ይገኛል” (አንድ አንጋስትሮም ከ ጋር እኩል ነው) ሜትር)። ነገር ግን በተወሰነ አካላዊ ሂደት የኤሌክትሮኑን አቀማመጥ ከአንድ አንግስትሮም የበለጠ በትክክል ለማግኘት እድሉ አለን። ይህ በፊዚክስ ውስጥ በጣም የተለመደው ሂደት በጣም አጭር የሞገድ ርዝመት ያለው ፎቶን ወደ ኤሌክትሮን (ወይም የፊዚክስ ሊቃውንት እንደሚሉት ፎቶን በኤሌክትሮን መበተን) ያካትታል - ከዚያ በኋላ በሚበተንበት ጊዜ የኤሌክትሮኑን ቦታ እንደገና መገንባት እንችላለን ። ትክክለኛነት ከሞገድ ርዝመት ፎቶን ጋር እኩል ነው። ነገር ግን ይህ ሂደት የኤሌክትሮኑን ሁኔታ ይለውጠዋል, ስለዚህም ከዚህ በኋላ በሃይድሮጂን አቶም የመሬት ሁኔታ ውስጥ አይኖርም እና በትክክል የተገለጸ ኃይል አይኖረውም. ግን ለተወሰነ ጊዜ ቦታው በትክክል ይወሰናል (ለዚህ ጥቅም ላይ የዋለው የፎቶን የሞገድ ርዝመት ትክክለኛነት)። የኤሌክትሮን አቀማመጥ የመጀመሪያ ደረጃ ግምት ሊደረግ የሚችለው በአንድ አንጎስትሮም ትክክለኛነት ብቻ ነው ፣ ግን አንዴ ከለካን በትክክል ምን እንደነበረ እናውቃለን። ባጭሩ የኳንተም ሜካኒካል ሲስተምን በሆነ መንገድ ከለካን ቢያንስ በተለመደው መልኩ እኛ የምንለካው መጠን የተወሰነ እሴት ወዳለው ሁኔታ “አስገድደነዋል”።

የኳንተም ሜካኒክስ በትናንሽ ስርዓቶች ላይ ብቻ ሳይሆን (እኛ እናምናለን) በሁሉም ስርዓቶች ላይ ይሠራል, ነገር ግን ለትልቅ ስርዓቶች የኳንተም ሜካኒካል ህጎች በፍጥነት በጣም ውስብስብ ይሆናሉ. ቁልፍ ፅንሰ-ሀሳብ የኳንተም ጥልፍልፍ ነው፣ የዚህም ቀላል ምሳሌ የማሽከርከር ጽንሰ-ሀሳብ ነው። የግለሰብ ኤሌክትሮኖች ስፒን አላቸው፣ ስለዚህ በተግባር አንድ ኤሌክትሮን ከተመረጠው የቦታ ዘንግ አንፃር ወደ ላይ ወይም ወደ ታች የሚዞር ሽክርክሪት ሊኖረው ይችላል። ኤሌክትሮን ከማግኔት ባር መስክ ጋር ተመሳሳይነት ያለው ደካማ መግነጢሳዊ መስክ ስለሚፈጥር የኤሌክትሮን ሽክርክሪት ሊታይ የሚችል መጠን ነው. ከዚያም ስፒን ወደላይ ማለት የኤሌክትሮኑ ሰሜናዊ ዋልታ ወደ ታች እያመለከተ ነው፣ እና ወደታች አሽከርክር ማለት የሰሜን ዋልታ ወደ ላይ እየጠቆመ ነው። ሁለት ኤሌክትሮኖች በተጣመረ የኳንተም ሁኔታ ውስጥ ሊቀመጡ ይችላሉ, ከነዚህም አንዱ ወደ ላይ እና ወደ ታች የሚሽከረከርበት ሲሆን ነገር ግን የትኛው ኤሌክትሮን የትኛው ሽክርክሪት እንዳለው ማወቅ አይቻልም. በመሠረቱ፣ በሂሊየም አቶም የመሬት ሁኔታ ውስጥ፣ የሁለቱም ኤሌክትሮኖች አጠቃላይ ሽክርክሪት ዜሮ ስለሆነ ሁለት ኤሌክትሮኖች በትክክል በዚህ ሁኔታ ውስጥ ይገኛሉ፣ ስፒን ነጠላ ይባላል። እኒህን ሁለት ኤሌክትሮኖች እሽክርክራቸውን ሳይቀይሩ ብንለያያቸው፣ አሁንም አንድ ላይ የሚሽከረከሩ ነጠላዎች ናቸው ማለት እንችላለን፣ ነገር ግን የሁለቱም ሽክርክሪት በግለሰብ ደረጃ ምን ሊሆን እንደሚችል አሁንም መናገር አንችልም። አሁን፣ አንዱን ሽክርክራቸውን ከለካን እና ወደላይ መመራቱን ካረጋገጥን፣ ሁለተኛው ደግሞ ወደ ታች እንደሚመራ ሙሉ በሙሉ እርግጠኛ እንሆናለን። በዚህ ሁኔታ, እሽክርክሮቹ ተጣብቀዋል እንላለን-በራሱም የተወሰነ ዋጋ የለውም, በአንድ ላይ ደግሞ በተወሰነ የኳንተም ሁኔታ ውስጥ ናቸው.

አንስታይን ስለ መጠላለፍ ክስተት በጣም ያሳሰበው ነበር፡ የአንፃራዊነት ፅንሰ-ሀሳብ መሰረታዊ መርሆችን የሚያስፈራራ ይመስላል። የሁለት ኤሌክትሮኖች ሁኔታን እንመልከት ስፒን ነጠላ ሁኔታ , በጠፈር ውስጥ በጣም ሲራራቁ. በእርግጠኝነት፣ አሊስ ከመካከላቸው አንዱን ይውሰድ እና ቦብ ሌላውን ይውሰድ። አሊስ የኤሌክትሮኖቿን ስፒን ለካ እና ወደላይ መመራቱን አገኘች እንበል፣ ነገር ግን ቦብ ምንም አልለካም። አሊስ ልኬቷን እስክትሰራ ድረስ የኤሌክትሮን እሽክርክሪት ምን እንደሆነ ለማወቅ አልተቻለም። ነገር ግን ልክ ልኬቷን እንደጨረሰች፣ የቦብ ኤሌክትሮን እሽክርክሪት ወደ ታች (ከራሷ ኤሌክትሮን ሽክርክሪት ጋር በተቃራኒ አቅጣጫ) እንደሚመራ በትክክል ታውቃለች። ይህ ማለት የእርሷ መለኪያ ወዲያውኑ የቦብ ኤሌክትሮን ወደ ስፒን-ታች ሁኔታ ውስጥ ያስገባዋል ማለት ነው? ኤሌክትሮኖች በቦታ ተለያይተው ከሆነ ይህ እንዴት ሊሆን ይችላል? አንስታይን እና ግብረአበሮቹ ናታን ሮዘን እና ቦሪስ ፖዶልስኪ የታሰሩ ስርዓቶችን የመለካት ታሪክ በጣም ከባድ ከመሆኑ የተነሳ የኳንተም ሜካኒኮችን ህልውና አደጋ ላይ እንደጣለ ተሰምቷቸው ነበር። እነሱ የቀረጹት አንስታይን-ፖዶልስኪ-ሮዘን ፓራዶክስ (EPR) የኳንተም ሜካኒክስ የእውነታው ሙሉ መግለጫ ሊሆን አይችልም ብሎ ለመደምደም አሁን ከገለጽነው ጋር ተመሳሳይ የሆነ የሃሳብ ሙከራን ይጠቀማል። አሁን፣ በቀጣዮቹ የንድፈ ሃሳባዊ ምርምር እና በብዙ ልኬቶች ላይ በመመስረት፣ አጠቃላይ መግባባት የ EPR ፓራዶክስ ስህተት እንደያዘ እና የኳንተም ቲዎሪ ትክክል መሆኑን ተስማምቷል። የኳንተም ሜካኒካል ጥልፍልፍ እውነት ነው፡ የተጠላለፉ ስርዓቶች መለኪያዎች በህዋ ጊዜ ውስጥ በጣም የተራራቁ ቢሆኑም እንኳ ይዛመዳሉ።

ሁለት ኤሌክትሮኖችን ወደ ስፒን ነጠላ ሁኔታ አስገብተን ለአሊስ እና ቦብ የሰጠንበትን ሁኔታ እንመለስ። መለኪያዎች ከመደረጉ በፊት ስለ ኤሌክትሮኖች ምን ልንነግራቸው እንችላለን? ሁለቱም በአንድ ላይ በተወሰነ የኳንተም ሁኔታ (ስፒን-ነጠላ) ውስጥ መሆናቸውን። የአሊስ ኤሌክትሮን ሽክርክሪት ወደላይ ወይም ወደ ታች የመውረድ ዕድሉ እኩል ነው። ይበልጥ በትክክል፣ የኤሌክትሮን ኳንተም ሁኔታ ከእኩል ዕድል ጋር አንድ (ወደ ላይ መሽከርከር) ወይም ሌላኛው (ወደ ታች መሽከርከር) ሊሆን ይችላል። አሁን ለእኛ የፕሮባቢሊቲ ጽንሰ-ሀሳብ ከበፊቱ የበለጠ ጥልቅ ትርጉም ይይዛል። ቀደም ሲል የተወሰነ የኳንተም ሁኔታን (የሃይድሮጂን አቶም የመሬት ሁኔታ) ተመልክተናል እና አንዳንድ "የማይመቹ" ጥያቄዎች እንዳሉ አይተናል, ለምሳሌ "ኤሌክትሮን የት አለ?" - መልሶች የሚኖሩት በፕሮባቢሊቲ ስሜት ብቻ ነው. እንደ “የዚህ ኤሌክትሮን ጉልበት ምንድን ነው?” ያሉ “ጥሩ” ጥያቄዎችን ብንጠይቅ ትክክለኛ መልሶችን እናገኛለን። አሁን፣ በቦብ ኤሌክትሮን ላይ የተመኩ መልስ የሌላቸው ስለ አሊስ ኤሌክትሮን ልንጠይቃቸው የምንችላቸው “ጥሩ” ጥያቄዎች የሉም። (እኛ ስለ ሞኝ ጥያቄዎች እየተነጋገርን አይደለም እንደ "የአሊስ ኤሌክትሮን እንኳን ሽክርክሪት አለው?" - አንድ መልስ ብቻ የሚሰጣቸው ጥያቄዎች.) ስለዚህ, የተጠላለፈውን ስርዓት ግማሹን መለኪያዎች ለመወሰን, መጠቀም አለብን. ሊሆን የሚችል ቋንቋ. በእርግጠኝነት የሚፈጠረው አሊስ እና ቦብ ስለ ኤሌክትሮኖቻቸው ሊጠይቋቸው በሚችሉት ጥያቄዎች መካከል ያለውን ግንኙነት ስናስብ ብቻ ነው።

ሆን ብለን ከምናውቃቸው በጣም ቀላል የኳንተም ሜካኒካል ስርዓቶች በአንዱ ጀመርን-የግል ኤሌክትሮኖች የማሽከርከር ስርዓት። ኳንተም ኮምፒውተሮች እንደዚህ ባሉ ቀላል ስርዓቶች መሰረት እንደሚገነቡ ተስፋ አለ. የነጠላ ኤሌክትሮኖች ወይም ሌሎች አቻ ኳንተም ሲስተሞች ስፒን ሲስተም አሁን qubits (በአጭሩ “ኳንተም ቢትስ”) ይባላሉ፣ በዲጂታል ኮምፒውተሮች ውስጥ ተራ ቢትስ ከሚጫወቱት ሚና ጋር በሚመሳሰል መልኩ በኳንተም ኮምፒውተሮች ውስጥ ያላቸውን ሚና በማጉላት።

እስቲ አሁን እያንዳንዱን ኤሌክትሮኖች በጣም ውስብስብ በሆነ የኳንተም ሲስተም በሁለት ሳይሆን በብዙ የኳንተም ስቴቶች እንደተካን እናስብ። ለምሳሌ አሊስ እና ቦብ ባር ንፁህ ማግኒዚየም ሰጡ። አሊስ እና ቦብ ወደ ተለያዩ መንገዳቸው ከመሄዳቸው በፊት ባርዎቻቸው መስተጋብር ሊፈጥሩ ይችላሉ፣ እና ይህን ሲያደርጉ የተወሰነ የጋራ የኳንተም ሁኔታ እንደሚያገኙ ተስማምተናል። አሊስ እና ቦብ እንደተለያዩ የማግኒዚየም ባርዎቻቸው መገናኘታቸውን ያቆማሉ። እንደ ኤሌክትሮኖች ሁኔታ, እያንዳንዱ ባር በማይታወቅ የኳንተም ሁኔታ ውስጥ ነው, ምንም እንኳን አንድ ላይ, እኛ እንደምናምነው, በሚገባ የተገለጸ ሁኔታ ይፈጥራሉ. (በዚህ ውይይት ላይ አሊስ እና ቦብ የማግኒዚየም ባርዎቻቸውን በማንኛውም መንገድ ውስጣዊ ሁኔታቸውን ሳይረብሹ ማንቀሳቀስ እንደሚችሉ እንገምታለን, ልክ ቀደም ሲል አሊስ እና ቦብ የተጠላለፉትን ኤሌክትሮኖቻቸውን እሽክርክራቸውን ሳይቀይሩ ይለያሉ.) ግን ግን አለ. ልዩነት በዚህ የአስተሳሰብ ሙከራ እና በኤሌክትሮን ሙከራ መካከል ያለው ልዩነት በእያንዳንዱ አሞሌ የኳንተም ሁኔታ ላይ ያለው እርግጠኛ አለመሆን በጣም ትልቅ ነው። አሞሌው በዩኒቨርስ ውስጥ ካሉት አቶሞች ብዛት የበለጠ የኳንተም ግዛቶችን ሊያገኝ ይችላል። ቴርሞዳይናሚክስ የሚሠራው እዚህ ላይ ነው። በጣም የታመሙ ስርዓቶች ግን አንዳንድ በደንብ የተገለጹ የማክሮስኮፕ ባህሪያት ሊኖራቸው ይችላል። እንዲህ ዓይነቱ ባሕርይ ለምሳሌ የሙቀት መጠን ነው. የሙቀት መጠኑ የትኛውም የስርዓተ-ፆታ ክፍል የተወሰነ አማካይ ሃይል ሊኖረው እንደሚችል የሚለካ ሲሆን ከፍተኛ ሙቀት ከፍተኛ ሃይል የመያዝ እድሉ ከፍተኛ ነው። ሌላው ቴርሞዳይናሚክስ መለኪያ ኢንትሮፒ ነው፣ እሱም በመሠረቱ አንድ ሥርዓት ሊገምተው ከሚችለው የግዛት ብዛት ሎጋሪዝም ጋር እኩል ነው። ሌላው ለማግኒዚየም ባር ጠቃሚ የሆነው ቴርሞዳይናሚክስ ባህሪው የተጣራ ማግኔዜዜሽን ነው፣ እሱም በመሠረቱ በባሩ ውስጥ ከሚሽከረከሩ ኤሌክትሮኖች ይልቅ ምን ያህል ተጨማሪ ስፒን አፕ ኤሌክትሮኖች እንዳሉ የሚያሳይ መለኪያ ነው።

ቴርሞዳይናሚክስን ወደ ታሪካችን ያመጣነው ከሌሎች ስርዓቶች ጋር በመጠላለፍ የኳንተም ግዛቶቻቸው በትክክል የማይታወቁ ስርዓቶችን ለመግለጽ ነው። ቴርሞዳይናሚክስ እንደነዚህ ያሉትን ስርዓቶች ለመተንተን ኃይለኛ መሳሪያ ነው, ነገር ግን ፈጣሪዎቹ አተገባበሩን በዚህ መንገድ አላሰቡትም. ሳዲ ካርኖት፣ ጀምስ ጁሌ፣ ሩዶልፍ ክላውስየስ የXNUMXኛው ክፍለ ዘመን የኢንዱስትሪ አብዮት ምሳሌዎች ነበሩ፣ እና ከጥያቄዎች ሁሉ የበለጠ ተግባራዊ የሆነውን ሞተሮች እንዴት ይሰራሉ? ግፊት, መጠን, ሙቀት እና ሙቀት የሞተር ሥጋ እና ደም ናቸው. ካርኖት በሙቀት መልክ ያለው ሃይል ሙሉ በሙሉ ወደ ጠቃሚ ስራ እንደ ሸክም ማንሳት እንደማይቀየር አረጋግጧል። አንዳንድ ጉልበት ሁል ጊዜ ይባክናል. ክላውስየስ ሙቀትን በሚያካትት በማንኛውም ሂደት ውስጥ የኃይል ኪሳራዎችን ለመወሰን እንደ ሁለንተናዊ መሳሪያ የኢንትሮፒን ሀሳብ ለመፍጠር ትልቅ አስተዋፅዖ አድርጓል። የእሱ ዋና ስኬት ኤንትሮፒ ፈጽሞ እንደማይቀንስ መገንዘቡ ነበር - በሁሉም ሂደቶች ማለት ይቻላል ይጨምራል። የኢንትሮፒ መጨመር ሂደቶች የማይመለሱ ይባላሉ, ምክንያቱም ኢንትሮፒ ሳይቀንስ ሊገለበጥ ስለማይችል በትክክል. ወደ እስታቲስቲካዊ መካኒኮች እድገት የሚቀጥለው እርምጃ በክላውሲየስ ፣ ማክስዌል እና ሉድቪግ ቦልትማን (ከሌሎች መካከል) ተወስደዋል - ኢንትሮፒ የስርዓት መዛባት መለኪያ መሆኑን አሳይተዋል። ብዙውን ጊዜ፣ በሆነ ነገር ላይ በተግባርክ ቁጥር፣ የበለጠ ትርምስ ይፈጥራሉ። እና ግቡ ስርዓቱን ወደነበረበት መመለስ የሆነበትን ሂደት ቢነድፍ እንኳን ከመጥፋቱ የበለጠ ኢንትሮፒይ መፍጠር አይቀሬ ነው - ለምሳሌ ሙቀትን በመልቀቅ። የብረት ዘንጎችን በፍፁም ቅደም ተከተል የሚያስቀምጥ ክሬን በጨረራዎቹ አቀማመጥ ቅደም ተከተል ይፈጥራል, ነገር ግን በሚሠራበት ጊዜ በጣም ብዙ ሙቀትን ያመነጫል, አጠቃላይ ኢንትሮፒ አሁንም ይጨምራል.

ግን አሁንም በ XNUMX ኛው ክፍለ ዘመን የፊዚክስ ሊቃውንት ቴርሞዳይናሚክስ እይታ እና ከኳንተም ጥልፍልፍ ጋር ተያይዞ ባለው አመለካከት መካከል ያለው ልዩነት የሚመስለውን ያህል ትልቅ አይደለም ። ስርዓት ከውጪ ወኪል ጋር በተገናኘ ቁጥር የኳንተም ሁኔታ ከወኪሉ ኳንተም ሁኔታ ጋር ይጣበቃል። በተለምዶ ይህ ጥልፍልፍ የስርዓቱን የኳንተም ሁኔታ እርግጠኛ አለመሆንን ይጨምራል ፣ በሌላ አነጋገር ስርዓቱ ሊሆኑ የሚችሉ የኳንተም ግዛቶች ብዛት ይጨምራል። ከሌሎች ስርዓቶች ጋር ባለው መስተጋብር ምክንያት, በስርዓቱ ውስጥ ከሚገኙት የኳንተም ግዛቶች ብዛት አንፃር የተገለፀው ኢንትሮፒ, አብዛኛውን ጊዜ ይጨምራል.

በአጠቃላይ ኳንተም ሜካኒክስ አንዳንድ መለኪያዎች (ለምሳሌ በህዋ ላይ ያሉ) መመዘኛዎች እርግጠኛ ያልሆኑበት፣ ነገር ግን ሌሎች (እንደ ኢነርጂ ያሉ) ብዙ ጊዜ በእርግጠኝነት የሚታወቁባቸውን ፊዚካዊ ስርዓቶችን ለመለየት አዲስ መንገድ ይሰጣል። የኳንተም ጥልፍልፍን በተመለከተ፣ ሁለት በመሠረቱ የተለዩ የስርዓቱ ክፍሎች የታወቀ የጋራ የኳንተም ሁኔታ አላቸው፣ እና እያንዳንዱ ክፍል ለየብቻ የማይታወቅ ሁኔታ አለው። የመጠላለፍ መደበኛ ምሳሌ በነጠላ ሁኔታ ውስጥ ያሉት ጥንድ ሽክርክሪቶች ናቸው ፣ በዚህ ውስጥ የትኛው ሽክርክሪት ወደ ላይ እና የትኛው ዝቅ እንዳለ ለመለየት የማይቻል ነው። በትልቅ ስርዓት ውስጥ ያለው የኳንተም ሁኔታ እርግጠኛ አለመሆን ቴርሞዳይናሚክስ አካሄድን ይጠይቃል ይህም እንደ ሙቀት እና ኢንትሮፒ ያሉ ማክሮስኮፒክ መለኪያዎች በታላቅ ትክክለኛነት ይታወቃሉ።

ወደ ኳንተም ሜካኒክስ ፣ ጥልፍልፍ እና ቴርሞዳይናሚክስ መስኮች ያደረግነውን አጭር የጉብኝት ጉዞ ካጠናቀቅን ፣ አሁን ይህ ሁሉ ወደ ጥቁር ጉድጓዶች የሙቀት መጠን ስላለው ወደመረዳት እንዴት እንደሚመራ ለመረዳት እንሞክር ። ለዚህም የመጀመሪያው እርምጃ የተደረገው በቢል ኡንሩህ ነው - በጠፍጣፋ ቦታ ላይ ያለ የተፋጠነ ተመልካች ከፍጥነቱ ጋር እኩል የሆነ የሙቀት መጠን በ2π እንደሚካፈል አሳይቷል። የኡሩህ ስሌት ቁልፉ በአንድ አቅጣጫ በቋሚ ፍጥነት የሚንቀሳቀስ ተመልካች ማየት የሚችለው የቦታ ሰአት ግማሽ ያህሉን ብቻ ነው። ሁለተኛው አጋማሽ በመሠረቱ ከጥቁር ጉድጓድ ጋር ተመሳሳይነት ካለው አድማስ በስተጀርባ ነው። መጀመሪያ ላይ የማይቻል ይመስላል-ጠፍጣፋ የጠፈር ጊዜ እንዴት እንደ ጥቁር ጉድጓድ አድማስ ሊመስል ይችላል? ይህ እንዴት እንደሚሆን ለመረዳት ታማኝ ታዛቢዎቻችንን አሊስ፣ ቦብ እና ቢል ለእርዳታ እንጥራ። በጥያቄያችን፣ ከአሊስ ጋር በቦብ እና በቢል መካከል ይሰለፋሉ፣ እና በእያንዳንዱ ጥንድ ውስጥ በተመልካቾች መካከል ያለው ርቀት በትክክል 6 ኪሎ ሜትር ነው። በጊዜው ዜሮ አሊስ ወደ ሮኬቱ ውስጥ ዘልሎ ወደ ቢል (እና ከቦብ ይርቃል) በቋሚ ፍጥነት እንደሚበር ተስማምተናል። የእሱ ሮኬት በጣም ጥሩ ነው, ነገሮች ወደ ምድር ወለል አጠገብ ከሚንቀሳቀሱበት የስበት ፍጥነት በ 1,5 ትሪሊዮን እጥፍ ፍጥነት መጨመር ይችላል. እርግጥ ነው, አሊስ እንዲህ ዓይነቱን ፍጥነት መቋቋም ቀላል አይደለም, ነገር ግን አሁን እንደምንመለከተው, እነዚህ ቁጥሮች ለአንድ ዓላማ ተመርጠዋል; በቀኑ መጨረሻ ላይ, ስለ ሊሆኑ የሚችሉ እድሎች እየተወያየን ነው, ያ ብቻ ነው. ልክ በዚህ ቅጽበት አሊስ ወደ ሮኬቷ ስትዘል ቦብ እና ቢል ወደ እርስዋ አወዛወዙ። ("በአሁኑ ሰአት ..." የሚለውን አገላለጽ የመጠቀም መብት አለን። .) አሊስን ማወዛወዝ እርግጥ ነው፣ ቢል ወደሷ ታየዋለች፡ ነገር ግን በሮኬቱ ውስጥ ሆና ታየዋለች ባለችበት ብትቆይ ኖሮ ይህ ሊሆን ከመቻሉ በፊት ታየዋለች፣ ምክንያቱም ከእሷ ጋር ያለው ሮኬት ወደ እሱ እየበረረ ነው። በተቃራኒው፣ ከቦብ ርቃ ትሄዳለች፣ ስለዚህ እሷ እዚያው ብትቆይ ኖሮ ከምታየው በላይ ትንሽ ቆይቶ ሲያውለበልባት እንደምታየው መገመት እንችላለን። ግን እውነቱ የበለጠ አስገራሚ ነው: ቦብን በጭራሽ አታይም! በሌላ አገላለጽ፣ ከቦብ እጅ ወደ አሊስ የሚበርሩ ፎቶኖች፣ የብርሃን ፍጥነት ላይ መድረስ እንደማትችል በመቁጠር በጭራሽ አያገኛትም። ቦብ እያውለበለበ ከጀመረ፣ ወደ አሊስ ትንሽ በመቅረብ፣ ከዚያ በወጣችበት ቅጽበት ከእርሱ የራቁት ፎቶኖች ቀድሟት ነበር፣ እና እሱ ትንሽ ርቆ ቢሆን ኖሮ አያልፏትም ነበር። በዚህ መልኩ ነው አሊስ የምታየው የጠፈር ጊዜን ግማሹን ብቻ ነው የምንለው። በአሁኑ ጊዜ አሊስ መንቀሳቀስ ስትጀምር ቦብ አሊስ ከምታየው አድማስ ትንሽ ራቅ ብሎ ነው።

በኳንተም መጨናነቅ ላይ ባደረግነው ውይይት፣ የኳንተም ሜካኒካል ሲስተም በአጠቃላይ የተወሰነ የኳንተም ሁኔታ ቢኖረውም አንዳንድ ክፍሎች ላይኖራቸው ይችላል የሚለውን ሀሳብ ለምደናል። በእውነቱ ፣ ስለ ውስብስብ የኳንተም ስርዓት ስንወያይ ፣ የተወሰነው ክፍል በቴርሞዳይናሚክስ ውስጥ በትክክል ሊገለጽ ይችላል-የጠቅላላው ስርዓት በጣም እርግጠኛ ያልሆነ የኳንተም ሁኔታ ቢኖርም ፣ በደንብ የተገለጸ የሙቀት መጠን ሊመደብ ይችላል። ከአሊስ፣ ቦብ እና ቢል ጋር የተያያዘ የመጨረሻ ታሪካችን ትንሽ እንደዚህ ነው፣ ነገር ግን እዚህ የምንናገረው የኳንተም ስርዓት ባዶ የጠፈር ጊዜ ነው፣ እና አሊስ የምታየው ግማሹን ብቻ ነው። የቦታ-ጊዜ በጥቅሉ በመሬት ሁኔታው ​​ውስጥ እንዳለ ቦታ እንያዝ፣ ይህም ማለት በውስጡ ምንም ቅንጣቶች የሉም (በእርግጥ አሊስ፣ ቦብ፣ ቢል እና ሮኬት ሳይቆጠር)። ነገር ግን አሊስ የምታየው የስፔስ-ጊዜ ክፍል በመሬት ውስጥ ሳይሆን በማታየው ክፍል በተጠመደ ሁኔታ ውስጥ ይሆናል። በአሊስ የተገነዘበው የቦታ-ጊዜ ውስብስብ በሆነ የሙቀት መጠን ተለይቶ በማይታወቅ የኳንተም ሁኔታ ውስጥ ነው። የኡሩህ ስሌት እንደሚያመለክተው ይህ የሙቀት መጠን ወደ 60 ናኖኬልቪን ነው። ባጭሩ፣ አሊስ እየፈጠነች ስትሄድ፣ ከፍጥነቱ ጋር እኩል በሆነ የሙቀት መጠን (በተገቢው ክፍሎች) በሞቀ የጨረር መታጠቢያ ውስጥ የተጠመቀች ትመስላለች።

ሩዝ. 7.1. አሊስ ከእረፍት በፍጥነት ይንቀሳቀሳሉ፣ ቦብ እና ቢል ግን እንቅስቃሴ አልባ ሆነው ይቆያሉ። የአሊስ ማጣደፍ ብቻ ነው ቦብ የላከላትን ፎቶኖች በ t = 0 በጭራሽ እንዳታያቸው ነው።ነገር ግን ቢል በ t = 0 የላከላትን ፎቶኖች ትቀበላለች። ውጤቱም አሊስ የቦታ ጊዜን አንድ ግማሽ ብቻ ማየት ይችላል.

በኡሩህ ስሌት ውስጥ የሚገርመው ነገር ከመጀመሪያው እስከ መጨረሻው ወደ ባዶ ቦታ ቢጠቅስም “ከምንም አይወጣም” የሚለውን የኪንግ ሌርን ዝነኛ ቃላት ይቃረናሉ። ባዶ ቦታ እንዴት ውስብስብ ሊሆን ይችላል? ቅንጣቶች ከየት ሊመጡ ይችላሉ? እውነታው ግን በኳንተም ቲዎሪ መሰረት ባዶ ቦታ ባዶ አይደለም. በእሱ ውስጥ, እዚህ እና እዚያ, የአጭር ጊዜ መነቃቃቶች በየጊዜው ይታያሉ እና ይጠፋሉ, ምናባዊ ቅንጣቶች ይባላሉ, ጉልበታቸውም አዎንታዊ እና አሉታዊ ሊሆን ይችላል. ከሩቅ የወደፊት ታዛቢ - ካሮል ብለን እንጠራት - ሁሉንም ባዶ ቦታ ማየት የምትችለው በዚህ ውስጥ ለረጅም ጊዜ የሚቆዩ ቅንጣቶች አለመኖራቸውን ያረጋግጣል። በተጨማሪም ፣ አሊስ ሊታዘበው በሚችለው የቦታ-ጊዜ ክፍል ውስጥ አዎንታዊ ኃይል ያላቸው ቅንጣቶች መኖራቸው ፣ በኳንተም ጥልፍልፍ ምክንያት ፣ ለአሊስ በማይታይ የቦታ-ጊዜ ክፍል ውስጥ እኩል እና ተቃራኒ የኃይል ምልክት ምልክቶች ጋር የተቆራኘ ነው። ስለ ባዶ የጠፈር ጊዜ አጠቃላይ እውነት ለካሮል ተገልጧል፣ እና ያ እውነት እዚያ ምንም ቅንጣቶች እንደሌሉ ነው። ሆኖም፣ የአሊስ ልምድ፣ ቅንጦቹ እዚያ እንዳሉ ይነግራታል!

ነገር ግን በኡሩህ የሚሰላው የሙቀት መጠን በቀላሉ ልብ ወለድ ይመስላል - እንደ ጠፍጣፋ ቦታ ንብረት ሳይሆን ይልቁንም በጠፍጣፋ ቦታ ላይ የማያቋርጥ መፋጠን የሚያጋጥመው የተመልካች ንብረት ነው። ነገር ግን፣ የስበት ኃይል ራሱ ያው “ምናባዊ” ሃይል ነው፤ የፈጠረው “ፍጥነት” በተጠማዘዘ ሜትሪክ ውስጥ በጂኦዴሲክ ላይ ከመንቀሳቀስ ያለፈ ነገር አይደለም። በምዕራፍ 2 ላይ እንደገለጽነው፣ የአንስታይን የእኩልነት መርህ ፍጥነት እና ስበት በመሠረቱ እኩል መሆናቸውን ይገልጻል። ከዚህ አንፃር የጥቁር ጉድጓድ አድማስ ከኡሩህ ስሌት ጋር እኩል የሆነ የሙቀት መጠን ስላለው የተፋጠነ ተመልካች የሙቀት መጠን ስላለው በተለይ አስደንጋጭ ነገር የለም። ነገር ግን፣ የሙቀት መጠንን ለመወሰን ምን የፍጥነት ዋጋ መጠቀም አለብን ብለን እንጠይቅ። ከጥቁር ጉድጓድ ራቅ ብለን በመንቀሳቀስ የስበት መስህብ ፍላጎታችንን እንደፈለግን ደካማ ማድረግ እንችላለን። ይህ ማለት የምንለካው የጥቁር ጉድጓድ ውጤታማ የሙቀት መጠን ለመወሰን በተመጣጣኝ መጠን አነስተኛ የፍጥነት ዋጋ መጠቀም አለብን ማለት ነው? ይህ ጥያቄ በጣም ተንኮለኛ ሆኖ ተገኝቷል, ምክንያቱም እንደምናምነው, የአንድ ነገር ሙቀት በዘፈቀደ ሊቀንስ አይችልም. በጣም ሩቅ በሆነ ተመልካች እንኳን ሊለካ የሚችል የተወሰነ የተወሰነ እሴት እንዳለው ይታሰባል።

ምንጭ: hab.com