Второй закон термодинамики может нарушаться в квантовом мире

отметили
19
человек
в архиве
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, выяснила международная группа учёных под руководством ведущего научного сотрудника Лаборатории квантовой теории информации МФТИ и Института теоретической физики имени Л. Д. Ландау РАН Гордея Лесовика. Результаты исследования опубликованы в журнале Scientific Reports (входит в группу Nature).

«Мы нашли квантового демона Максвелла, который может уменьшить энтропию в системе, причём даже не измеряя её состояние», — говорит Гордей Лесовик.

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 растёт, либо остаётся постоянной. Долгое время эту теорему не удавалось доказать в рамках традиционной статистической физики без привлечения дополнительных ограничений. После появления квантовой механики учёные 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 её доказательство.

«Мы пытались доказывать: вроде бы, получалось, потом обнаруживалась „дырка“, мы её 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 учёный.

В результате учёные 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 счёт 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 счёт квантовых эффектов», — объясняет Лесовик.

По его словам, учёные в ближайшее время планируют провести экспериментальную проверку этого эффекта. Такой эксперимент откроет возможность создания квантовых холодильников и двигателей нового типа.
Добавил 1sr 1sr 1 Февраля 2017
проблема (2)
Комментарии участников:
1sr
+3
1sr, 1 Февраля 2017 , url
Нобелевская премия, если экспериментально подтвердят. И это -самый минимум.
V.I.Baranov
+5
V.I.Baranov, 1 Февраля 2017 , url
Не подтвердятся! Выяснится, что по эфиру системы не замкнутые… Где вы в эксперименте видели замкнутую систему? Замкнутая система существует только на бумаге. Да и термодинамика, вообще говоря наука о СТАЦИОНАРНЫХ состояниях, или как шутили титаны физики, термодинамика палка о трёх началах...)))
vmizh
+1
vmizh, 1 Февраля 2017 , url
+100500
V.I.Baranov
+4
V.I.Baranov, 1 Февраля 2017 , url
Это в шестиричной системе?...)))
Константин Дубровин
+1
Константин Дубровин, 2 Февраля 2017 , url
7956?
1sr
+1
1sr, 1 Февраля 2017 , url
Как Чехов: пришел и все опошлил))
1sr
+1
1sr, 1 Февраля 2017 , url
Вот я и думаю, что если мы будем искать эту Яму, то мы ее обязательно не найдем, потому что тогда мы, может быть, найдем то, чего мы как будто не ищем, а оно может оказаться тем, что мы на самом деле ищем.
(с) ))
bvv4096
+1
bvv4096, 1 Февраля 2017 , url
Оооооооо!
rustam.2v
+1
rustam.2v, 1 Февраля 2017 , url
Даже если не подтвердят, то это ничего не значит. А вот если подтвердят, то это не нобелевка, а грандиознейший прорыв.
З.Ы. Нобелевки дают за открытия имеющие практический отзыв, а тут отзыв ещё не скоро будет. Хотя нуль-генератор в будущем возможен… если…


Войдите или станьте участником, чтобы комментировать