Наш веб-сайт использует файлы cookie, чтобы предоставить вам возможность просматривать релевантную информацию. Прежде чем продолжить использование нашего веб-сайта, вы соглашаетесь и принимаете нашу политику использования файлов cookie и конфиденциальность.
Во всей физике, пожалуй, нет более сакрального принципа, чем второй закон термодинамики - представление о том, что энтропия, мера беспорядка, всегда будет оставаться неизменной или возрастать.
«Если кто-то укажет вам, что ваша любимая теория Вселенной противоречит уравнениям Максвелла - тем хуже для уравнений Максвелла», - писал британский астрофизик Артур Эддингтон в своей книге "Природа физического мира" в 1928 году.
"Если окажется, что она противоречит наблюдениям - что ж, экспериментаторы иногда ошибаются. Но если окажется, что ваша теория противоречит второму закону термодинамики, я не могу дать вам никакой надежды; ей ничего не остается, кроме как рухнуть в глубочайшем унижении".
Нарушение этого закона никогда не наблюдалось и не ожидается.
Но кое-что во втором законе беспокоит физиков. Некоторые из них не уверены, что мы правильно его понимаем или что его основы прочны. Проблема еще и в том, что хотя он и называется законом, обычно его считают просто вероятностным: он гласит, что результат любого процесса будет наиболее вероятным (что фактически означает, что результат неизбежен, учитывая числовые значения).
Однако физикам нужны не только описания вероятностей.
«Нам нравится, когда законы физики точны, - говорит Кьяра Марлетто из Оксфордского университета. - Можно ли ужесточить второй закон, превратив его в нечто большее, чем простое изложение вероятностей?»
Несколько независимых групп, похоже, именно это и сделали. Возможно, они соткали второй закон из фундаментальных принципов квантовой механики - которые, как подозревают некоторые, имеют направленность и необратимость, заложенные в них на самом глубоком уровне.
Согласно этой точке зрения, второй закон возникает не из-за классических вероятностей, а из-за квантовых эффектов, таких как запутанность. Он возникает из способов, которыми квантовые системы обмениваются информацией, и из краеугольных квантовых принципов, которые определяют, что может произойти, а что нет.
Таким образом, увеличение энтропии - это не просто наиболее вероятный результат изменений. Это логическое следствие самого фундаментального ресурса, который мы знаем - квантового ресурса информации.
Термодинамика была придумана в начале 19 века для описания потока тепла и производства энергии. Необходимость в такой теории остро ощущалась, поскольку паровая энергия стимулировала промышленную революцию, и инженеры стремились сделать свои устройства как можно более эффективными.
В итоге термодинамика не слишком помогла в создании лучших двигателей и машин. Вместо этого она стала одним из центральных столпов современной физики, предоставляя критерии, которые управляют всеми процессами изменений.
Классическая термодинамика имеет всего несколько законов, из которых наиболее фундаментальными являются первый и второй.
Первый гласит, что энергия всегда сохраняется; второй закон утверждает, что тепло всегда течет от горячего к холодному.
Чаще всего это выражается в терминах энтропии, которая должна в целом увеличиваться при любых изменениях. Энтропию не совсем точно приравнивают к беспорядку, но австрийский физик Людвиг Больцман сформулировал ее более строго, как количество, связанное с общим числом микросостояний системы: сколько может быть эквивалентных способов расположения ее частиц.
Второй закон, по-видимому, показывает, почему происходят изменения. На уровне отдельных частиц классические законы движения измененяются во времени. Но второй закон подразумевает, что изменения должны происходить таким образом, чтобы увеличивать энтропию.
Широко распространено мнение, что эта направленность накладывает стрелу времени. Согласно этой точке зрения, время течет из прошлого в будущее, потому что Вселенная началась - по причинам, не до конца понятным или согласованным - в состоянии низкой энтропии и движется к состоянию все более высокой энтропии.
Поэтому, в конечном счете, тепло будет распространяться совершенно равномерно, без движущей силы для дальнейших изменений. Удручающая перспектива, которую ученые середины 19-го века назвали тепловой смертью Вселенной.
Микроскопическое описание энтропии Больцмана, похоже, объясняет такую направленность. Многочастичные системы, которые более неупорядочены и имеют высокую энтропию, значительно превосходят упорядоченные состояния с более низкой энтропией, поэтому молекулярные взаимодействия приведут к их возникновению.
Тогда второй закон кажется просто статистикой: Это закон больших чисел. С этой точки зрения, нет никакой фундаментальной причины, почему энтропия не может уменьшаться - почему, например, все молекулы воздуха в комнате не могут случайно собраться в одном углу. Это просто крайне маловероятно.
Тем не менее, вероятностная статистическая физика оставляет некоторые вопросы нерешенными. Она направляет нас к наиболее вероятным микросостояниям в целом ансамбле возможных состояний и заставляет довольствоваться средними значениями по всему ансамблю.
Но законы классической физики детерминистичны - они допускают только один исход для любой начальной точки. Где же тогда вообще может появиться гипотетический ансамбль состояний, если возможен только один исход?
Дэвид Дойч, физик из Оксфорда, уже несколько лет пытается избежать этой дилеммы, разрабатывая теорию (как он выражается) "мира, в котором вероятность и случайность полностью отсутствуют в физических процессах". Его проект, в котором участвует Марлетто, называется теорией конструкторов. Ее цель - установить не только то, какие процессы, вероятно, могут происходить, а какие нет, но и то, какие из них возможны, а какие категорически запрещены.
Теория конструкторов стремится выразить всю физику в терминах утверждений о возможных и невозможных преобразованиях. Она повторяет путь зарождения самой термодинамики, рассматривая изменения в мире как нечто, производимое "машинами" (конструкторами), которые работают циклически, по схеме, подобной знаменитому циклу Карно. Конструктор скорее напоминает катализатор, способствующий процессу и возвращающийся в исходное состояние по его окончанию.
"Допустим, у вас есть трансформация, например, строительство дома из кирпичей, - говорит Марлетто. - Можно придумать множество различных машин, которые его построят с разной точностью. Все эти машины - конструкторы, работающие в цикле» - они возвращаются в исходное состояние, когда возведение дома закончено.
Но если существует машина для выполнения определенной задачи, это не значит, что ее возможно отменить. Машина для строительства дома не способна разобрать здание. Этим конструктор отличается от динамических законов движения, демонстрирующих необратимость любых процессов.
Причина необратимости, говорит Марлетто, заключается в том, что для большинства сложных задач конструктор приспособлен к определенной среде. Ему требуется определенная информация из окружающей среды, необходимая для выполнения задачи. Но обратная задача будет начинаться с другой среды, поэтому тот же конструктор не обязательно срабатывает.
"Машина специфична для той среды, в которой она работает", - говорит она.
Недавно Марлетто, работая с теоретиком Влатко Ведралом из Оксфорда и коллегами из Италии, показала, что теория конструкторов действительно определяет необратимые процессы - несмотря на то, что все происходит по квантово-механическим законам, которые сами по себе совершенно обратимы.
"Мы показали, что существуют некоторые преобразования, для которых можно найти конструктор для одного направления, но не для другого", - сказала она.
Исследователи рассмотрели преобразование, связанное с состояниями квантовых битов (кубитов), которые могут существовать в одном из двух состояний или в комбинации, или суперпозиции, обоих состояний. В их модели один кубита B может быть преобразован из некоторого начального, совершенно известного состояния B1 в целевое состояние B2, когда он взаимодействует с другими кубитами, перемещаясь мимо ряда по одному кубиту за раз. Это взаимодействие запутывает кубиты: их свойства становятся взаимозависимыми, так что вы не сможете полностью охарактеризовать один из кубитов, если не рассмотрите все остальные.
Когда число кубитов в ряду становится очень большим, B приводится в состояние B2 сколь угодно точно, говорит Марлетто.
Процесс последовательных взаимодействий B с рядом кубитов представляет собой конструктор — машину преобразования B1 в B2. В принципе, вы также можете отменить этот процесс, превратив B2 обратно в B1, отправив B обратно вдоль ряда.
Но что если, выполнив преобразование один раз, вы попытаетесь повторно использовать массив кубитов для того же процесса со свежим B?
Марлетто и ее коллеги показали, что если число кубитов не очень велико и вы используете один и тот же ряд многократно, массив становится все менее и менее способным произвести преобразование B1 в B2.
Но, что очень важно, теория также предсказывает, что ряд становится еще менее способным к обратному преобразованию B2 в B1. Исследователи подтвердили это предсказание экспериментально, используя фотоны для B и оптоволоконную цепь для имитации ряда из трех кубитов.
"Вы можете произвольно хорошо аппроксимировать конструктор в одном направлении, но не в другом", - уточняет Марлетто.
Существует асимметрия преобразования, подобная той, которую накладывает второй закон. Это происходит потому, что преобразование переводит систему из так называемого чистого квантового состояния (B1) в смешанное (B2, запутанное рядом.
«Чистое состояние - это состояние, для которого мы знаем все, что можно знать о нем. Но когда два объекта запутаны, вы не можете полностью определить один из них, не зная о другом. Дело в том, что из чистого квантового состояния легче перейти в смешанное, чем наоборот - потому что информация в чистом состоянии рассеивается запутанностью и ее трудно восстановить. Это можно сравнить с попыткой повторно сформировать каплю чернил после того, как она рассеялась в воде - процесс, в котором необратимость навязана вторым законом».
Здесь же необратимость является "просто следствием того, как динамически развивается система, - поясняет Марлетто. - Здесь нет никакого ста
