На квантовых масштабах существуют много вторых законов термодинамики

Новое исследование в Лондонском университетском колледже (UCL), в Гданьском, Сингапурском и Делфтском университетах обнаружило добавочные вторые законы термодинамики, которые дополняют обычный второй закон термодинамики, один из самых фундаментальных законов природы. Эти новые второй законы, как правило, заметны только на очень малых масштабах, и там они становятся все более и более важными.

Традиционный второй закон гласит, что во Вселенной увеличивается беспорядок (энтропия). Это говорит нам о том, что чашка горячего чая в холодной комнате будет остывать, а не нагреваться; что даже самые эффективные машины будут терять часть энергии в виде тепла; и более прозаично, что дом в течение долгого времени будет постепенно приходить в запустение, а не убирать сам себя.

Исследование, опубликованное в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, показывает, что в очень малых масштабах существует, на самом деле, целое семейство «вторых законов», которые могут привести к неожиданным и нелогичным явлениям.

«Традиционный второй закон термодинамики иногда рассматривается как статистический закон, который справедлив, когда имеется огромное количество частиц, составляющих систему, - говорит проф. Джонатан Оппенгейм (Jonathan Oppenheim) из UCL, один из авторов исследования. - Даже в то время как отдельные части замкнутой системы могут стать более упорядоченными, в целом, энтропия всей системы (мера беспорядка) возрастает».

В некотором смысле, традиционный второй закон выполняется только в среднем.

Совсем недавно физики начали интересоваться, выполняется ли второй закон не только в среднем, для очень больших систем, но и для небольших отдельных систем, с небольшим количеством частиц. Удивительно, но исследователи обнаружили, что второй закон не только справедлив в таких небольших масштабах, но на самом деле существуют много других вторых законов. Другими словами, как и большие системы, малые системы также имеют тенденцию становиться более неупорядоченными. Но есть дополнительные вторые законы, которые ограничивают способ, которым беспорядок может увеличиться.

«Эти дополнительные вторые законы, можно рассматривать в том смысле, что существует много различных видов беспорядка на малых масштабах, и все они имеют тенденцию к увеличению с течением времени», - сказал соавтор, проф. Михаль Городецки (Michal Horodecki) из Гданьска.

Исследователи обнаружили дополнительные меры беспорядка, все отличные от стандартной энтропии, которые количественно описывают различные типы беспорядка. Они показали, что не только увеличивается энтропия, но и другие типы беспорядка также должны увеличиваться.

«Статистические законы действуют, когда мы рассматриваем большие числа. Например, представьте себе, мы бросаем монету тысячи раз. В этом случае мы ожидаем увидеть примерно одинаковое количество орлов и решек. Тем не менее, это не справедливо, если бросить монету только несколько раз. Возможно, мы найдем, что все монеты упали вверх орлом. Подобные явления происходят при рассмотрении систем, состоящих из небольшого количества частиц, - говорит соавтор, проф. Стефани Венер (Stephanie Wehner) из Делфта. - Мы можем использовать инструменты из теории квантовой информации, чтобы понять случай, когда мы не имеем большое количество частиц».

Проф. Оппенгейм добавил: «Хотя квантовый дом становится скорее запущеннее, чем опрятнее, как и обычный дом, наше исследование показывает, что способы, которыми он может приходить в запустение, ограничены рядом дополнительных законов. Еще более странным является то, что способы, которыми эти вторые законы взаимодействуют друг с другом, может привести к эффекту, похожему на нарушение традиционного второго закона термодинамики. Например, маленькая система может самопроизвольно стать более упорядоченной, когда она взаимодействует с другой системой, которая кажется едва измененной. Это означает, что некоторые комнаты в квантовом доме могут спонтанно становиться намного чище, а другие становятся только чуть-чуть грязнее».

Результаты исследования дают более глубокое понимание того, как трансформируются тепло и энергия на очень малых масштабах. Ожидается, что это будет иметь широкое применение в разработке небольших систем, в том числе, наноразмерных устройств, биологических моторов и в квантовых технологиях, таких как квантовые компьютеры.

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365