p Os físicos estenderam um dos teoremas de flutuação mais proeminentes da termodinâmica estocástica clássica, a igualdade Jarzynski, à teoria quântica de campos. Como a teoria quântica de campos é considerada a teoria mais fundamental da física, os resultados permitem que o conhecimento da termodinâmica estocástica seja aplicado, pela primeira vez, em toda a gama de escalas de energia e comprimento. p Os físicos, Anthony Bartolotta, um estudante de graduação na Caltech, e Sebastian Deffner, Professor de física da University of Maryland Baltimore County, escreveram um artigo sobre a igualdade de Jarzynski para teorias quânticas de campo que será publicado em uma próxima edição da Revisão Física X .

p O trabalho aborda um dos maiores desafios da física fundamental, que é determinar como as leis da termodinâmica clássica podem ser estendidas à escala quântica. Compreender o trabalho e o fluxo de calor no nível das partículas subatômicas beneficiaria uma ampla gama de áreas, desde o projeto de materiais em nanoescala até a compreensão da evolução do universo primitivo.

p Como Bartolotta e Deffner explicam em seu artigo, em contraste com os grandes saltos dados nas "teorias microscópicas" da mecânica clássica e quântica durante o século passado, o desenvolvimento da termodinâmica esteve bastante estagnado durante esse tempo.

p Embora a termodinâmica tenha sido originalmente desenvolvida para descrever a relação entre energia e trabalho, a teoria tradicionalmente se aplica apenas a sistemas que mudam infinitamente lentamente. Em 1997, o físico Christopher Jarzynski, da University of Maryland College Park, apresentou uma maneira de estender a termodinâmica a sistemas nos quais ocorrem processos de transferência de calor e energia em qualquer taxa. Os teoremas de flutuação, a mais proeminente das quais agora é chamada de igualdade Jarzynski, tornaram possível compreender a termodinâmica de uma gama mais ampla de menores, ainda clássico, sistemas.

p "A termodinâmica é uma teoria fenomenológica para descrever o comportamento médio do calor e do trabalho, "Deffner disse Phys.org . "Originalmente projetado para melhorar muito, motores de calor fedorentos, não foi capaz de descrever pequenos sistemas e sistemas que operam longe do equilíbrio. A igualdade de Jarzynski ampliou dramaticamente o escopo da termodinâmica e lançou as bases para a termodinâmica estocástica, que é um novo e muito ativo ramo de pesquisa. "

p A termodinâmica estocástica lida com conceitos termodinâmicos clássicos, como trabalho, aquecer, e entropia, mas no nível de trajetórias flutuantes de átomos e moléculas. Esta imagem mais detalhada é particularmente importante para a compreensão da termodinâmica em sistemas de pequena escala, que também é o reino de vários aplicativos emergentes.

p Não foi por mais uma década, Contudo, até a igualdade de Jarzynski e outros teoremas de flutuação foram estendidos para a escala quântica, pelo menos até certo ponto. Em 2007, os pesquisadores determinaram como os efeitos quânticos modificam a interpretação usual do trabalho. Contudo, muitas questões ainda permanecem e, no geral, a área da termodinâmica estocástica quântica ainda está incompleta. Contra este pano de fundo, os resultados do novo estudo representam um avanço significativo.

p "Agora, em 2018, demos o próximo grande passo em frente, "Deffner disse." Nós generalizamos a termodinâmica estocástica para as teorias quânticas de campo (QFT). Em certo sentido, estendemos a termodinâmica estocástica até sua faixa final de validade, já que o QFT foi projetado para ser a teoria mais fundamental da física. "

p Uma das chaves para a conquista foi desenvolver uma abordagem teórica de grafos completamente nova, o que permitiu aos pesquisadores classificar e combinar os diagramas de Feynman usados ​​para descrever o comportamento das partículas de uma nova maneira. Mais especificamente, a abordagem torna possível calcular com precisão somas infinitas de todas as permutações (ou arranjos) possíveis de subdiagramas desconectados que descrevem as trajetórias das partículas.

p "A quantidade em que estávamos interessados, o trabalho, é diferente das quantidades normalmente calculadas por teóricos de partículas e, portanto, exigiu uma abordagem diferente, "Bartolotta disse.

p Os físicos esperam que os resultados permitam que outros cientistas apliquem os teoremas de flutuação a uma ampla variedade de problemas na vanguarda da física, como na física de partículas, cosmologia, e física da matéria condensada. Isso inclui estudar coisas como motores quânticos, as propriedades termodinâmicas do grafeno, e o plasma quark gluon produzido em colisões de íons pesados ​​- algumas das condições mais extremas encontradas na natureza.

p No futuro, os físicos planejam generalizar sua abordagem para uma variedade mais ampla de teorias quânticas de campo, o que abrirá ainda mais possibilidades. p © 2018 Phys.org