Международная группа ученых под руководством ведущего научного сотрудника Лаборатории квантовой теории информации МФТИ и Института теоретической физики имени Л. Д. Ландау РАН Гордея Лесовика выяснила, что в квантовых системах энтропия может убывать. Результаты исследования опубликованы в журнале Scientific Reports, сообщает пресс-служба МФТИ.
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 гласит, что тепловая энергия не может переходить от менее горячих объектов к более горячим, поэтому развернуть этот процесс в обратную сторону нельзя.
Принцип роста энтропии был сформулирован в более строгой форме Людвигом Больцманом в его H-теореме. Она гласит, что величина энтропии в замкнутой системе, состояние которой описывается кинетическим уравнением, либо растет, либо остается постоянной. Долгое время эту теорему не удавалось доказать в рамках традиционной статистической физики без привлечения дополнительных ограничений. После появления квантовой механики ученые 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 доказать ее. «Мы пытались доказывать: вроде бы, получалось, потом обнаруживалась "дырка", мы ее 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», — сказал ученый.
В результате физики обнаружили условия, при которых второй закон термодинамики может локально нарушаться. Это может происходить в квантовых системах относительно небольшого, но макроскопического размера — измеряемого в сантиметрах и даже метрах. 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», — объяснил Лесовик.
[Иллюстрация: Демон Максвелла — микроскопическое разумное существо, которое придумал Джеймс Максвелл для иллюстрации парадокса Второго начала термодинамики]
