원자력 발전이 우라늄의 핵분열을 통해 물을 끓여서 발전하고 있는 것과 같이, 첨단 기술도 과거의 이론과 기술의 연장선상에서 발전하고 있습니다. 하버드 대학에서 이론 물리학을 연구하는 Nicole Yunger Halpern 씨가 19세기 산업혁명의 와중에 태어난 열역학과 21세기의 양자 이론을 통합하는 학문인 '양자 스팀펑크'에 대해 설명하고 있습니다.
Quantum Steampunk : 19th-Century Science Meets Technology of Today - Scientific American
'스팀펑크'는 영국 빅토리아 왕조나 에드워드 왕조의 분위기를 바탕으로 증기기관이 널리 정착한 세계관을 가진 작품을 가리키며, 하울의 움직이는 성, 와일드 와일드 웨스트, FINAL FANTASY VI 등이 스팀펑크의 대표적인 작품으로 알려져 있습니다.
스팀펑크는 "과거와 미래의 융합"이라고 할 수 있습니다. Halpern 씨가 연구하고 있는 '양자 스팀펑크'는 19세기의 열역학과 현대의 양자 이론의 융합을 목표로 하는 학문입니다.
열역학은 증기 기관이라는 실용적인 물체로부터 시작된 학문 분야로 현대에는 온도 · 압력 · 부피 · 에너지 등의 조건에서 증기 등의 다입자계의 특성을 거시적으로 취급하는 분야가 되었습니다. Halpern 씨가 열역학과 양자 이론의 두 가지를 결부시켜 생각하고 있는 이유는, 이 두 가지가 공유하는 점이 많다는 것입니다. 대표적인 공통점이 「엔트로피」입니다. 엔트로피는 열역학에서는 입자 등의 '불가역성'을 나타내는 지표로 사용됩니다만, 양자 통계역학 분야에서도 양자에 대한 불확실성을 나타내는 지표로 이용되고 있습니다.
Halpern 씨가 양자 스팀펑크 분야의 목표로 내걸고 있는 것이, '기존 열역학의 갱신'입니다. Halpern 씨는 소규모의 양자 계에 미치는 엔트로피 함수와 양자 리소스 이론, 요동 정리 등 양자 이론으로 기존의 열역학의 법칙을 갱신할 수 있다고 주장합니다.
Halpern 씨가 현재 실시하고 있는 것이 '양자 엔진'이라는 동력 기관에 대한 연구입니다. 차량 등에 탑재된 가솔린 엔진은 외부의 공기를 흡입하여 가솔린과 혼합하고, 이 혼합 기체를 압축, 연소, 팽창시켜 배기하는, '흡입, 압축/연소, 팽창, 배기'의 4 단계를 반복하며 열역학 원리에 따라 열 에너지를 운동 에너지로 변환시키고 있습니다.
양자 엔진은 가솔린 엔진의 기초 열역학 원리를 양자 이론으로 대체한 시스템입니다. 양자 엔진은 레이저에 의해 입자를 열평형(Thermal equilibrium) 상태와 다체 국소화(Many body localization) 상태로, 두 상태 사이의 상전이를 반복하면서 외부 환경에 열에너지를 방출시키는 것입니다.
열평형
열접촉하고 있는 두 계 사이에 열에너지의 알짜 이동이 없으면, 두 계는 열평형 상태에 있다고 한다. 열평형은 열역학제영법칙을 만족한다. [목차] 1.열역학에서의 평형 2.열역학제영법칙과 열평형 3.열역학에서의 열평형과 온도 열역학에서의 평형 물리학에서의 평형상태는 계의 거시변수가 시간에 따라서 더이상 변화하지 않는 상태를 뜻한다. 평형 위치에 가만히 놓인 용수철에 매달린 추도 평형상태에 있다. 외부와 접촉하고 있는 열역학적인 계의 상태는 여러 방법으로 변
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Many body localization - Wikipedia
From Wikipedia, the free encyclopedia Jump to navigation Jump to search Phenomenon of isolated many-body quantum systems not reaching thermal equilibrium Many body localization (MBL) is a dynamical phenomenon occurring in isolated many-body quantum systems
en.wikipedia.org
Halpern 씨는 최근에도 열역학을 기반으로 한 분자 스위치, 태양 광 발전기, 방열 트랜지스터 등의 기술이 등장하고 있는 것을 들면서 "열역학과 양자 이론을 결합한 학문 분야가 새로운 발명을 만들어낼 것"이라고 주장합니다. 양자 스팀펑크의 이론을 통합하여 기존의 정의 및 결과를 되돌아보고 새로운 도구를 개발함으로써, 이 학문을 더욱 발전시킬 수 있다고 주장하고 있습니다.
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