В квантовых системах, как выяснилось, наблюдается уменьшение энтропии.
В замкнутых системах закон неубывания энтропии, являющийся одной из формулировок второго начала термодинамики, может быть нарушен: международная группа ученых во главе с ведущим научным сотрудником установила, что в квантовых системах энтропия способна уменьшаться Лаборатории квантовой теории информации, расположенные в МФТИ и Института теоретической физики имени Л. Д. Ландау РАН Гордея Лесовика. Результаты исследования опубликованы в журнале Scientific Reports (входит в группу Nature).
«По словам Гордея Лесовика, им удалось обнаружить квантового демона Максвелла, способного снижать энтропию системы без необходимости определения её состояния.
В классической физике большинство процессов не зависят от направления времени: их можно обратить вспять, и законы физики при этом не будут нарушены. Однако симметрия по времени нарушается вторым законом термодинамики, сформулированным Клаузиусом, согласно которому тепловая энергия не может самопроизвольно переходить от более холодных тел к более горячим, и поэтому этот процесс необратим.
В 1870-х годах Людвиг Больцман представил более точную формулировку принципа роста энтропии, известную как H-теорема («аш-теорема»). Согласно ей, энтропия в замкнутой системе, состояние которой описывается кинетическим уравнением (современное название – уравнение Больцмана), увеличивается или остается неизменной. В течение длительного времени доказать эту теорему в рамках классической статистической физики не представлялось возможным без введения дополнительных ограничений. С появлением квантовой механики возникло предположение, что истоки H-теоремы связаны с квантовыми эффектами. В квантовой теории информации были получены значимые результаты, определяющие условия, при которых энтропия системы не уменьшается.
Лесовик и его команда впервые представили H-теорему, используя терминологию квантовой физики, и в последующие годы прилагали усилия для её обоснования.
«Мы старались доказать это: казалось, что получается, однако затем возникали недочёты, мы их устраняли, но затем снова появлялись, и в конечном итоге мы осознали, что это не случайность, что, возможно, данная теорема не применима к квантовой системе и что, даже если система энергетически изолирована, этого недостаточно для предотвращения снижения энтропии», — говорит учёный.
Исследования показали, что второй закон термодинамики может быть нарушен локально в определённых условиях. Это явление наблюдается в квантовых системах, размеры которых достигают сантиметров и даже метров. В отличие от классической физики, где уменьшение энтропии обусловлено передачей тепла, в квантовых системах снижение энтропии возможно без передачи энергии благодаря квантовой запутанности.
«Лесовик поясняет: «Представьте себе Золушку, которую мачеха вынуждает отделить чечевицу от гороха, то есть уменьшить энтропию системы. Обычная Золушка не справилась бы с этой задачей в изолированной системе, однако квантовая — вполне может. Благодаря квантовым эффектам мы способны упорядочить состояния.
Учёные намереваются в ближайшее время провести экспериментальную проверку этого эффекта, как он сообщил. Это позволит создать квантовые холодильники и двигатели принципиально нового типа.