Los físicos han extendido uno de los teoremas de fluctuación más destacados de la termodinámica estocástica clásica, la igualdad de Jarzynski, a la teoría cuántica de campos. Como la teoría cuántica de campos se considera la teoría más fundamental en física, los resultados permiten aplicar los conocimientos de termodinámica estocástica, por primera vez, en toda la gama de escalas de energía y longitud.

Los físicos Anthony Bartolotta, un estudiante de posgrado en Caltech, y Sebastian Deffner, Profesor de física en la Universidad de Maryland en el condado de Baltimore, han escrito un artículo sobre la igualdad de Jarzynski para las teorías cuánticas del campo que se publicará en un próximo número de Revisión física X .

El trabajo aborda uno de los mayores desafíos de la física fundamental, que es determinar cómo las leyes de la termodinámica clásica pueden extenderse a la escala cuántica. Comprender el trabajo y el flujo de calor a nivel de partículas subatómicas beneficiaría a una amplia gama de áreas, desde el diseño de materiales a nanoescala hasta la comprensión de la evolución del universo temprano.

Como explican Bartolotta y Deffner en su artículo, en contraste con los grandes avances realizados en las "teorías microscópicas" de la mecánica clásica y cuántica durante el siglo pasado, el desarrollo de la termodinámica ha estado bastante estancado durante ese tiempo.

Aunque la termodinámica se desarrolló originalmente para describir la relación entre energía y trabajo, la teoría se aplica tradicionalmente sólo a sistemas que cambian infinitamente lentamente. En 1997, El físico Christopher Jarzynski de la Universidad de Maryland College Park introdujo una forma de extender la termodinámica a los sistemas en los que los procesos de transferencia de calor y energía ocurren en cualquier caso. Los teoremas de fluctuación, el más destacado de los cuales ahora se llama la igualdad de Jarzynski, han hecho posible comprender la termodinámica de una gama más amplia de sin embargo, sigue siendo clásico, sistemas.

"La termodinámica es una teoría fenomenológica para describir el comportamiento promedio del calor y el trabajo, "Deffner dijo Phys.org . "Diseñado originalmente para mejorar grandes, motores de calor apestosos, no fue capaz de describir pequeños sistemas y sistemas que operan lejos del equilibrio. La igualdad de Jarzynski amplió drásticamente el alcance de la termodinámica y sentó las bases para la termodinámica estocástica, que es una rama de investigación nueva y muy activa ".

La termodinámica estocástica se ocupa de conceptos termodinámicos clásicos como el trabajo, calor, y entropía, pero en el nivel de trayectorias fluctuantes de átomos y moléculas. Esta imagen más detallada es particularmente importante para comprender la termodinámica en sistemas a pequeña escala, que también es el ámbito de varias aplicaciones emergentes.

No fue por otra década sin embargo, hasta que la igualdad de Jarzynski y otros teoremas de fluctuación se extendieron a la escala cuántica, al menos hasta cierto punto. En 2007, Los investigadores determinaron cómo los efectos cuánticos modifican la interpretación habitual del trabajo. Sin embargo, aún quedan muchas preguntas y, en general, el área de la termodinámica estocástica cuántica aún está incompleta. Contra la cortina, los resultados del nuevo estudio representan un avance significativo.

"Ahora, en 2018 hemos dado el siguiente gran paso adelante, ", Dijo Deffner." Hemos generalizado la termodinámica estocástica a las teorías cuánticas de campos (QFT). En cierto sentido, hemos extendido la termodinámica estocástica hasta su último rango de validez, ya que QFT está diseñado para ser la teoría más fundamental de la física ".

Una de las claves del logro fue desarrollar un enfoque teórico de grafos completamente novedoso, lo que permitió a los investigadores clasificar y combinar los diagramas de Feynman utilizados para describir el comportamiento de las partículas de una manera nueva. Más específicamente, el enfoque permite calcular con precisión sumas infinitas de todas las posibles permutaciones (o disposiciones) de subdiagramas desconectados que describen las trayectorias de las partículas.

"La cantidad que nos interesó, la obra, es diferente a las cantidades que normalmente calculan los teóricos de partículas y, por lo tanto, requiere un enfoque diferente, "Dijo Bartolotta.

Los físicos esperan que los resultados permitan a otros científicos aplicar los teoremas de fluctuación a una amplia variedad de problemas en la vanguardia de la física. como en la física de partículas, cosmología, y física de la materia condensada. Esto incluye estudiar cosas como motores cuánticos, las propiedades termodinámicas del grafeno, y el plasma de quark-gluón producido en colisionadores de iones pesados, algunas de las condiciones más extremas que se encuentran en la naturaleza.

En el futuro, los físicos planean generalizar su enfoque a una variedad más amplia de teorías cuánticas de campos, lo que abrirá aún más posibilidades.

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