摘要：宇宙变得越来越混乱，熵正在增长 - 这是热力学的第二定律。但是根据量子理论，熵实际上应该保持不变。科学家仔细观察并解决了这一明显的矛盾。...

这是我们知道的最重要的自然定律之一：著名的热力学第二定律说，当随机机会在起作用时，世界变得越来越混乱。或者，更准确地说：该熵必须在每个封闭的系统中增加。有序结构失去了订单，常规的冰晶变成水，瓷花瓶分解成碎片。然而，乍一看，量子物理学似乎并没有真正遵守这一规则：从数学上讲，量子系统中的熵始终保持不变。

Tu Wien的一个研究团队现在仔细研究了这一明显的矛盾，并能够证明：这取决于您看到的熵。如果您以与量子物理学的基本思想兼容的方式来定义熵的概念，那么量子物理学和热力学之间就不再存在任何矛盾。熵也会增加最初有序的量子系统，直到达到最终的混乱状态。

熵和时间方向

将“熵”与“无序”等同于“熵”并不是完全正确的。毕竟，您对“疾病”理解的内容可能是主观的，但是可以通过数学方程清楚地定义熵。

“熵是系统是否处于特殊的，非常特殊的状态，在这种情况下，该系统的熵较低，或者在看起来或多或少相同的许多状态中，在这种情况下，它具有很高的熵，” Tu Wien的原子和亚原理学院的Marcus Huber教授解释说。如果您从一个非常特定的状态开始，例如一个装满了完全按颜色排序的球的盒子，那么如果您稍微摇动盒子，则更高的熵混合状态会随着时间的流逝而发展。这仅仅是由于只有少数有序状态的事实，但许多人也是如此。

Max Lock（Tu Wien）说：“从物理的角度来看，这就是定义时间方向的原因。” “过去，熵较低；未来是熵更高的地方。”但是，量子物理学在这里遇到一个问题：数学家和物理学家约翰·冯·诺伊曼（John von Neumann）能够显示：根据量子物理学定律，量子系统中的熵根本不会改变。如果您拥有有关量子系统的完整信息，则所谓的“ von Neumann熵”总是保持不变。不可能说时间是向前还是向后运行，每个时间点在身体上都和其他时间一样好。

我们只知道部分信息

汤姆·里夫林（Tom Rivlin）（Tu Vienna）说：“但是这种观点忽略了一些重要的事情。” “在量子物理学中，您永远无法真正拥有有关系统的完整信息。我们可以选择要测量的系统的属性 - 可以观察到的所谓的可观察到。例如，例如，粒子的位置或其速度的位置或其速度的位置。量子理论告诉我们，可以告诉我们获得不同可能的测量结果的概率。但是，根据量子理论，我们永远无法提供有关系统的完整信息。”

即使我们知道概率，特定测量的实际结果仍然令人惊讶。熵的定义必须包括这个惊喜元素。您可以为特定可观察到的特定观察到的熵计算整个系统的完整量子状态的von Neumann熵。前者不会随着时间的流逝而改变，但后者可能会发生变化。

这种类型的熵称为“香农熵”。这取决于测量不同可能值的概率。 Florian Meier（Tu Wien）说：“您可以说香农的熵是您从测量中获得多少信息的量度。” “如果只有100％确定性发生的一个可能的测量结果，那么香农熵为零。结果您不会感到惊讶，您将不会从中学到任何东西。如果有很多可能具有类似较大概率的值，那么香农熵很大。”

量子障碍毕竟增加

现在，研究团队能够证明，如果您从香农熵低的状态开始，那么这种熵在封闭的量子系统中会增加，直到它在最大值围绕最大值上下降 - 正如经典系统中的热力学所知。时间越多，测量结果就越不清楚，观察时会遇到的惊喜越大。现在已经通过数学证明了这一点，并且还通过计算机模拟来证实，这些模拟描述了几个相互作用粒子的行为。

马库斯·休伯（Marcus Huber）说：“这表明，在完全隔离环境的量子系统中，热力学的第二定律也是正确的。您只需要提出正确的问题并使用适当的熵定义。”

如果您正在研究由少量颗粒组成的量子系统（例如，仅具有几个电子的氢原子），那么此类考虑是无关紧要的。但是今天，尤其是在量子物理学的现代技术应用方面，我们经常面临描述由许多粒子组成的量子系统的挑战。 Marcus Huber说：“要描述这样的多粒子系统，必须将量子理论与热力学调和。” “这就是为什么我们还希望利用基础研究为新的量子技术奠定基础。”