МФТИ: второй закон термодинамики может нарушаться в квантовом мире

Физики из МФТИ и РАН нашли намеки на то, что энтропия в квантовых системах может не расти, а уменьшаться, тем самым нарушая второй закон термодинамики, говорится в статье, опубликованной в журнале Scientific Reports.

"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 Гордей Лесовик из Московского физико-технического института в Долгопрудном, чьи слова приводит пресс-служба МФТИ.

Одной из основ современной физики и космологии является концепция так называемой "стрелы времени" - постулат о том, что время в нашей Вселенной движется исключительно в одном направлении, из прошлого в будущее. Иными словами, мы движемся сквозь четырехмерное пространство исключительно в одном направлении по оси времени, и "перемотать" время назад невозможно.

С точки зрения физики это проявляется в том, что со временем неупорядоченность, хаотичность Вселенной, состояние, которое ученые называют энтропией, неуклонно растет. К примеру, данный процесс проявляется в том, как меняется состояние энергии Вселенной. Этот принцип, который ученые часто называют "вторым законом термодинамики", считается нерушимым правилом, управляющим жизнью всей Вселенной на всех уровнях.

Лесовик и его коллеги выяснили, что это правило, скорее всего, нарушается на квантовом уровне, пытаясь совершить обратное - доказать так называемую Н-теорему, описывающую процесс роста энтропии в замкнутой системе.

Эта теорема была сформулирована еще в 1870 годах известным австрийским физиком Людвигом Больцманом, однако ее доказать никто не мог в рамках классической физики. Позже, когда возникла квантовая теория, ученые начали связывать H-теорему с необычными свойствами квантового мира, так как квантовая теория информации показывает, что энтропия системы может оставаться в некоторых случаях на постоянном уровне, как это и предсказывал Больцман.

Как рассказывает Лесовик, его группа уже несколько лет пытается "перевести" идею Больцмана на язык квантовой физики. Каждый раз, когда ученые думали, что они справились с доказательством Н-теоремы, они находили новые "дырки" в своих выкладках, что в конечном итоге убедило исследователей, что энтропия может не только оставаться на прежнем уровне или расти, но и убывать.

Руководствуясь этой идеей, ученые проанализировали свои прежние выкладки и выделили те условия, в которых энтропия системы падает сама по себе, без передачи тепловой энергии куда-то извне. Как оказалось, нечто подобное может происходить в тот момент, если поместить заряженную частицу в коридор с двумя выходами из него, у каждого из которых установлен источник магнитного поля, с которым взаимодействует спин частицы.

Эти выходы, как рассказывают ученые, будет работать примерно так же, как знаменитый "демон Максвелла", придуманный британским физиком Джеймсом Максвеллом еще в 1867 году для демонстрации того, что второй закон термодинамики можно нарушить хотя бы в теории.

По его задумке некое существо, позднее названное "демоном Максвелла", охраняло дверь между двумя комнатами. Демон, зная энергию приближающейся к двери молекулы, открывает проход только для "быстрых" молекул, закрывая дверь перед "медленными". В результате в одной комнате окажутся все "быстрые" молекулы, а в другой медленные, и возникшую разницу температур можно использовать в практических целях.

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