В квантовых системах энтропия может уменьшаться.
Закон неубывания энтропии в замкнутых системах, являющийся одной из формулировок второго начала термодинамики, по результатам исследования международной группы учёных под руководством ведущего научного сотрудника может нарушаться в квантовых системах. Лаборатории МФТИ по квантовой теории информации. Результаты исследования, проведённые сотрудниками Института теоретической физики им. Л. Д. Ландау РАН и Г. Лесовиком. опубликованыВ журнале Научные Доклады.
«Мы обнаружили квантового демона Максвелла, способного снизить энтропию системы без измерения её состояния», — заявил Гордей Лесовик.
В классической физике многие процессы симметричны по отношению к направлению времени: их можно обратить вспять без нарушения законов. Второй закон термодинамики (в формулировке Клаузиуса) нарушает эту симметрию, поскольку тепловая энергия не может переходить от более холодных объектов к более горячим, и поэтому этот процесс нельзя развернуть обратно.
В 1870-х годах Людвиг Больцман сформулировал принцип роста энтропии в более строгой форме в своей так называемой H-теореме. Она утверждает, что величина энтропии в замкнутой системе, состояние которой описывается кинетическим уравнением (ныне известным как уравнение Больцмана), либо возрастает, либо остается постоянной. Долгое время эта теорема оставалась неочевидной для доказательств в рамках традиционной статистической физики без дополнительных ограничений. С появлением квантовой механики учёные предположили связь корней H-теоремы с квантовыми явлениями. В квантовой теории информации получены важные результаты, описывающие условия, при которых энтропия системы не убывает.
Под руководством Лесовика группа первой высказала H-теорему на языке квантовой физики и несколько лет искала её доказательства.
Мы старались доказывать эту теорему: сначала казалось, что получается, потом находилась ошибка, мы её исправляли, но снова появлялись новые ошибки. В итоге поняли, что это закономерность, возможно, эта теорема не верна для квантовой системы. Достаточно энергетической изоляции системы недостаточно, чтобы энтропия не уменьшалась.
Учёные нашли условия, при которых второй закон термодинамики может нарушаться локально. Такое явление возможно в квантовых системах заметного, но макроскопического размера — сантиметры и даже метры. Главное отличие от классической физики заключается в том, что уменьшение энтропии без передачи тепловой энергии возможно за счёт квантовой запутанности.
Представьте себе Золушку, которой мачеха поручает разделить перемешанную чечевицу и горох, то есть упорядочить систему. В изолированной системе классическая Золушка не смогла бы этого сделать, а квантовая — может. Мы можем «вычистить» состояния благодаря квантовым эффектам.
По его словам, учёные проведут экспериментальную проверку эффекта в ближайшее время.
