Les physiciens ont étendu l'un des théorèmes de fluctuation les plus importants de la thermodynamique stochastique classique, l'égalité Jarzynski, à la théorie quantique des champs. La théorie quantique des champs étant considérée comme la théorie la plus fondamentale de la physique, les résultats permettent d'appliquer les connaissances de la thermodynamique stochastique, pour la première fois, sur toute la gamme des échelles d'énergie et de longueur.

Les physiciens, Antoine Bartolotta, un étudiant diplômé à Caltech, et Sébastien Deffner, Professeur de physique à l'Université du Maryland Baltimore County, ont écrit un article sur l'égalité de Jarzynski pour les théories quantiques des champs qui sera publié dans un prochain numéro de Examen physique X .

Les travaux abordent l'un des plus grands défis de la physique fondamentale, qui est de déterminer comment les lois de la thermodynamique classique peuvent être étendues à l'échelle quantique. Comprendre le travail et le flux de chaleur au niveau des particules subatomiques profiterait à un large éventail de domaines, de la conception de matériaux à l'échelle nanométrique à la compréhension de l'évolution de l'univers primitif.

Comme l'expliquent Bartolotta et Deffner dans leur article, contrairement aux grands sauts faits dans les "théories microscopiques" de la mécanique classique et quantique au cours du siècle dernier, le développement de la thermodynamique a été plutôt stagnant au cours de cette période.

Bien que la thermodynamique ait été développée à l'origine pour décrire la relation entre l'énergie et le travail, la théorie ne s'applique traditionnellement qu'aux systèmes qui changent infiniment lentement. En 1997, Le physicien Christopher Jarzynski de l'Université du Maryland College Park a présenté un moyen d'étendre la thermodynamique aux systèmes dans lesquels des processus de transfert de chaleur et d'énergie se produisent de toute façon. Les théorèmes de fluctuation, dont la plus importante s'appelle maintenant l'égalité de Jarzynski, ont permis de comprendre la thermodynamique d'une gamme plus large de plus petits, mais toujours classique, systèmes.

"La thermodynamique est une théorie phénoménologique pour décrire le comportement moyen de la chaleur et du travail, " Deffner a dit Phys.org . " Conçu à l'origine pour améliorer les grands, moteurs thermiques puants, il n'était pas capable de décrire de petits systèmes et des systèmes fonctionnant loin de l'équilibre. L'égalité de Jarzynski a considérablement élargi le champ de la thermodynamique et a jeté les bases de la thermodynamique stochastique, qui est une branche de recherche nouvelle et très active."

La thermodynamique stochastique traite des concepts thermodynamiques classiques tels que le travail, Chauffer, et l'entropie, mais au niveau des trajectoires fluctuantes des atomes et des molécules. Cette image plus détaillée est particulièrement importante pour comprendre la thermodynamique dans les systèmes à petite échelle, qui est aussi le domaine de diverses applications émergentes.

Ce n'était pas avant une autre décennie, cependant, jusqu'à ce que l'égalité de Jarzynski et d'autres théorèmes de fluctuation soient étendus à l'échelle quantique, au moins jusqu'à un certain point. En 2007, les chercheurs ont déterminé comment les effets quantiques modifient l'interprétation habituelle du travail. Cependant, de nombreuses questions demeurent et globalement, le domaine de la thermodynamique stochastique quantique est encore incomplet. Dans ce contexte, les résultats de la nouvelle étude représentent une avancée significative.

"Maintenant, en 2018, nous avons fait un grand pas en avant, " Deffner a déclaré. "Nous avons généralisé la thermodynamique stochastique aux théories quantiques des champs (QFT). Dans un certain sens, nous avons étendu la thermodynamique stochastique à son domaine de validité ultime, puisque QFT est conçu pour être la théorie la plus fondamentale de la physique."

L'une des clés de la réussite a été de développer une approche totalement nouvelle de la théorie des graphes, qui a permis aux chercheurs de classer et de combiner les diagrammes de Feynman utilisés pour décrire le comportement des particules d'une nouvelle manière. Plus précisement, l'approche permet de calculer précisément des sommes infinies de toutes les permutations (ou arrangements) possibles de sous-diagrammes déconnectés décrivant les trajectoires des particules.

"La quantité qui nous intéressait, l'oeuvre, est différent des quantités habituellement calculées par les théoriciens des particules et nécessite donc une approche différente, " a déclaré Bartolotta.

Les physiciens s'attendent à ce que les résultats permettent à d'autres scientifiques d'appliquer les théorèmes de fluctuation à une grande variété de problèmes à la pointe de la physique, comme en physique des particules, cosmologie, et physique de la matière condensée. Cela comprend l'étude de choses comme les moteurs quantiques, les propriétés thermodynamiques du graphène, et le plasma de quarks et de gluons produit dans les collisionneurs d'ions lourds, certaines des conditions les plus extrêmes rencontrées dans la nature.

À l'avenir, les physiciens envisagent de généraliser leur approche à une plus grande variété de théories quantiques des champs, ce qui ouvrira encore plus de possibilités.

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