오스트리아 과학 아카데미, 바르셀로나 자치대학교, 제네바 대학교의 물리학자들은 다른 사람들이 오랫동안 의심해 왔던 것, 즉 구성 요소들 사이에 온도 차이가 있는 시스템이 열 평형에 도달하는 속도에 대해 양자 역학이 속도 제한을 적용한다는 것을 양자 수준에서 입증했습니다. 이 속도 제한은 보편적이며 시스템에 어떤 조치를 취하더라도 실제로 이를 변경할 수는 없습니다.
열 평형은 어려운 개념처럼 들릴 수 있지만 수백 개의 시스템이 매일 우리 주변에 도달합니다. 뜨거운 커피 한 잔은 서로 가까이 두지 않더라도 결국 실온으로 냉각되고, 콜라 한 잔도 따뜻해져서 거의 같은 온도에 도달합니다.
이것이 얼마나 빨리 일어나는지는 방의 온도나 얼마나 많은 양의 음료수를 부었는지 등과 같은 외부 요인에 따라 달라질 수 있습니다. 그러나 물리학자들은 오랫동안 아원자 수준에서 이러한 변화가 얼마나 빨리 일어날 수 있는지를 본질적으로 제어하는 무언가가 있다고 의심해 왔습니다.
스페인, 오스트리아, 스위스의 일부 최고 기관의 연구진이 시스템이 열평형에 도달하는 속도를 결정하는 양자 수준 속도 제한이 실제로 있음을 보여주는 수학적 증거에 도달했습니다.
증명사진에 도착
비록 우리가 커피를 식힐 때 이것을 알아차리지 못했을지라도 물리학자들은 초전도체와 다른 양자 시스템으로 작업할 때 속도 제한이 있을 가능성을 오랫동안 알아차렸습니다. 그것이 실제로 존재한다는 것을 증명하기 위해 과학자들은 수학적 증거가 필요하며, 이것이 바로 유럽 연구자들이 착수한 것입니다.
연구원들은 보편적인 수학적 프레임워크를 사용하여 열화를 다양한 양자 시스템을 해당 열 상태로 가져올 수 있는 프로세스로 취급했습니다. 양자 정보 이론을 사용하여 양자 역학 원리를 기반으로 이것이 얼마나 빨리 달성될 수 있는지도 결정했습니다.
그런 다음 그들은 방정식을 양자 입자의 이론적 모델에 적용하고 그들의 행동을 수학적으로 분석하려고 시도했습니다. 분석에 따르면 양자 역학은 실제로 서로 다른 양자 시스템이 얼마나 빨리 열 평형에 도달할 수 있는지에 속도 제한을 두는 것으로 나타났습니다.
보편적 한계
연구원들은 한계가 시스템의 온도뿐만 아니라 두 가지 상수, 즉 감소된 플랑크 상수와 가스 내 입자의 평균 운동 에너지를 시스템의 열역학적 온도와 연관시키는 볼츠만 상수에 의해 결정된다는 것을 발견했습니다.
이는 시스템 구성 요소가 더 높은 온도에 있고 빠르게 평형에 도달하는 것처럼 보일지라도 여전히 양자 역학에 의해 부과된 속도 제한보다 더 빠르게 이동할 수 없음을 의미합니다. 이는 속도 제한이 작동하는 환경의 복잡성이 아니라 온도와 양자 역학에 따라 달라짐을 확인합니다.
하지만 흥미롭게도 시스템 구성 요소의 온도 차이가 거의 없는 경우 열 평형 속도는 온도 차이가 더 높은 쪽에 있을 때와 동일하지 않습니다. 대신, 이는 시스템의 두 가지 최저 에너지 상태에 의해 결정됩니다.
이번 발견은 컴퓨팅 및 감지와 같은 양자 기술에 새로운 연구 길을 열어줍니다.
연구 결과가 저널에 게재되었습니다. 자연물리학.
