31.01.2017

Физики атакуют второе начало термодинамики на квантовом уровне

Закон неубывания энтропии в замкнутых системах, который является одной из формулировок знаменитого второго начала термодинамики, может нарушаться: как оказалось, в квантовых системах энтропия может убывать. Это выяснила международная группа ученых под руководством ведущего научного сотрудника лаборатории квантовой теории информации МФТИ Гордея Лесовика. «Мы нашли квантового демона Максвелла, который может уменьшить энтропию в системе, причем даже не измеряя ее состояние», – говорит Гордей Лесовик. Результаты исследования опубликованы в журнале Scientific Reports, кратко о них сообщает пресс-релиз Московского физико-технического института.

Большинство процессов в рамках классической физики независимы от направления «стрелы времени»: любой из них можно развернуть в обратную сторону и никакие законы не будут нарушены. Однако симметрия по времени нарушается во втором законе термодинамики, который (в формулировке Клаузиуса) гласит, что тепловая энергия не может переходить от менее горячих объектов к более горячим, поэтому развернуть этот процесс в обратную сторону нельзя.

В 1870-х годах принцип роста энтропии был сформулирован в более строгой форме Людвигом Больцманом в его так называемой H-теореме (произносится «аш-теорема»). Она гласит, что величина энтропии в замкнутой системе, состояние которой описывается кинетическим уравнением (называемым теперь уравнением Больцмана), либо растет, либо остается постоянной. Долгое время эту теорему не удавалось доказать в рамках традиционной статистической физики без привлечения дополнительных ограничений. После появления квантовой механики ученые предположили, что «корни» H-теоремы связаны с квантовыми явлениями. В квантовой теории информации были получены важные результаты, описывающие условия, при которых энтропия системы не убывает.

Группа под руководством Лесовика впервые сформулировала H-теорему на языке квантовой физики и в течение нескольких лет пыталась найти ее доказательство. «Мы пытались доказывать: вроде бы, получалось, потом обнаруживалась “дырка”, мы ее закрывали, затем “дырки” появлялись опять, и в конце концов мы поняли, что это неспроста, что, может быть, эта теорема и не верна для квантовой системы и, даже если система энергетически изолирована, этого недостаточно, чтобы энтропия не убывала», – говорит ученый.

В результате ученые обнаружили условия, при которых второй закон термодинамики может локально нарушаться. Это может происходить в квантовых системах относительно небольшого, но макроскопического размера – сантиметры и даже метры. Существенное различие состоит в том, что если в классической физике уменьшение энтропии связано с передачей тепловой энергии, то в квантовом мире снижение энтропии может происходить без передачи энергии – за счет квантовой запутанности.

«Представьте себе Золушку, которую мачеха заставляет разобрать перемешанную чечевицу и горох, то есть понизить энтропию в системе. Классическая Золушка в изолированной системе не смогла бы это сделать, а квантовая – может. Мы можем “вычистить” состояния за счет квантовых эффектов», – объясняет Лесовик.

По его словам, ученые в ближайшее время планируют провести экспериментальную проверку этого эффекта. Такой эксперимент откроет возможность создания квантовых холодильников и двигателей нового типа.

Источники:

1. polit.ru