I fisici hanno esteso uno dei più importanti teoremi di fluttuazione della termodinamica stocastica classica, l'uguaglianza di Jarzynski, alla teoria quantistica dei campi. Poiché la teoria quantistica dei campi è considerata la teoria più fondamentale in fisica, i risultati consentono di applicare la conoscenza della termodinamica stocastica, per la prima volta, su tutta la gamma di scale di energia e lunghezza.

I fisici, Antonio Bartolotta, uno studente laureato al Caltech, e Sebastian Deffner, Professore di Fisica presso l'Università del Maryland Baltimore County, hanno scritto un articolo sull'uguaglianza di Jarzynski per le teorie dei campi quantistici che sarà pubblicato in un prossimo numero di Revisione fisica X .

Il lavoro affronta una delle più grandi sfide nella fisica fondamentale, ovvero determinare come le leggi della termodinamica classica possono essere estese alla scala quantistica. Comprendere il lavoro e il flusso di calore a livello delle particelle subatomiche andrebbe a beneficio di un'ampia gamma di aree, dalla progettazione di materiali su scala nanometrica alla comprensione dell'evoluzione dell'universo primordiale.

Come spiegano Bartolotta e Deffner nel loro articolo, in contrasto con i grandi passi avanti compiuti nelle "teorie microscopiche" della meccanica classica e quantistica nel secolo scorso, lo sviluppo della termodinamica è stato piuttosto stagnante in quel periodo.

Sebbene la termodinamica sia stata originariamente sviluppata per descrivere la relazione tra energia e lavoro, la teoria si applica tradizionalmente solo ai sistemi che cambiano infinitamente lentamente. Nel 1997, il fisico Christopher Jarzynski dell'Università del Maryland College Park ha introdotto un modo per estendere la termodinamica ai sistemi in cui si verificano in ogni caso processi di trasferimento di calore ed energia. I teoremi di fluttuazione, il più importante dei quali è ora chiamato l'uguaglianza di Jarzynski, hanno permesso di comprendere la termodinamica di una gamma più ampia di piccoli, eppure ancora classico, sistemi.

"La termodinamica è una teoria fenomenologica per descrivere il comportamento medio del calore e del lavoro, " Ha detto Deffner Phys.org . "Originariamente progettato per migliorare in grande, motori termici puzzolenti, non era in grado di descrivere piccoli sistemi e sistemi che operano lontano dall'equilibrio. L'uguaglianza di Jarzynski ha ampliato notevolmente l'ambito della termodinamica e ha posto le basi per la termodinamica stocastica, che è un ramo di ricerca nuovo e molto attivo."

La termodinamica stocastica si occupa di concetti termodinamici classici come lavoro, calore, ed entropia, ma a livello di traiettorie fluttuanti di atomi e molecole. Questo quadro più dettagliato è particolarmente importante per comprendere la termodinamica nei sistemi su piccola scala, che è anche il regno di varie applicazioni emergenti.

Non è stato per un altro decennio, però, fino a quando l'uguaglianza di Jarzynski e altri teoremi di fluttuazione furono estesi alla scala quantistica, almeno fino a un certo punto. Nel 2007, i ricercatori hanno determinato come gli effetti quantistici modificano la consueta interpretazione del lavoro. Però, rimangono ancora molte domande e nel complesso, l'area della termodinamica stocastica quantistica è ancora incompleta. In questo contesto, i risultati del nuovo studio rappresentano un progresso significativo.

"Ora, nel 2018 abbiamo compiuto il prossimo grande passo avanti, " Ha detto Deffner. "Abbiamo generalizzato la termodinamica stocastica alle teorie quantistiche del campo (QFT). In un certo senso abbiamo esteso la termodinamica stocastica al suo limite ultimo di validità, poiché QFT è progettato per essere la teoria più fondamentale in fisica."

Una delle chiavi del risultato è stata lo sviluppo di un approccio teorico dei grafi completamente nuovo, che ha permesso ai ricercatori di classificare e combinare i diagrammi di Feynman usati per descrivere il comportamento delle particelle in un modo nuovo. Più specificamente, l'approccio consente di calcolare con precisione somme infinite di tutte le possibili permutazioni (o disposizioni) di sottodiagrammi scollegati che descrivono le traiettorie delle particelle.

"La quantità che ci interessava, il lavoro, è diverso dalle quantità solitamente calcolate dai teorici delle particelle e quindi ha richiesto un approccio diverso, " disse Bartolotta.

I fisici si aspettano che i risultati consentiranno ad altri scienziati di applicare i teoremi di fluttuazione a un'ampia varietà di problemi all'avanguardia della fisica, come nella fisica delle particelle, cosmologia, e fisica della materia condensata. Ciò include lo studio di cose come i motori quantistici, le proprietà termodinamiche del grafene, e il plasma di quark gluoni prodotto in collisori di ioni pesanti, alcune delle condizioni più estreme che si trovano in natura.

Nel futuro, i fisici intendono generalizzare il loro approccio a una più ampia varietà di teorie quantistiche dei campi, che aprirà ulteriori possibilità.

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