Направи дарение на училище!

Законите на термодинамиката са едни от най-важните принципи в съвременната физика, защото те обясняват как три фундаментални физични величини – температура, енергия и ентропия, се държат при различни обстоятелства.

Сега обаче физиците твърдят, че са открили несъвършенство в един от тези закони, което може да създаде сценарии, в които ентропията или безпорядъкът всъщност намаляват с времето.

Благодарение на съвременната физика, почти всичко във Вселената може да бъде обяснено в съгласие с две теории: общата относителност за големите „неща“ като звезди, галактики и самата Вселена; и квантовата механика, която  изследва  отношенията на атомно равнище.

Тези два клона на физиката представят четирите закона на термодинамиката, които описват как топлината (или топлинната енергия) се превръща от и в различни видове енергия, както и ефекта от тези процеси върху различните форми на материята.

Разбери повече за БГ Наука:

***

В общи линии, ако искате да научите как енергията се движи в дадена система – от атома до черната дупка, ще имате нужда именно от тези закони.

В настоящия момент, за нас голям интерес представлява вторият закон на термодинамиката, който третира трансформацията на енергия в дадена система от „използваема“ към „неизползваема“.

Докато използваемата енергия, в затворена или изолирана система, намалява и  неизползваемата енергия се увеличава, ентропията също се увеличава.

Ентропията е мярка за стохастичност или безпорядък в затворена или изолирана система и вторият закон на термодинамиката постановява, че когато употребимата енергия се губи, хаосът се увеличава и така напредването към безпорядък не може никога да бъде обратимо.

Както Алок Яха обяснява пред The Guardian, вторият закон на термодинамиката е вероятно дори по-значим от първия закон на термодинамиката, който постановява, че енергията не може да бъде създавана или унищожавана, защото описва границите на това, което нашата Вселена може да прави.

„Този закон се отнася до  неефективността, упадъка и разпадането. Съгласно закона всичко, което вършим е по същество разточително и във Вселената съществуват необратими процеси. Дава ни необратим ход на времето и ни посочва, че нашата Вселена неизменно я очаква мрачна и опустошителна съдба.”

Какво би се случило, ако това беше единственият изход в тази ситуация? Какво би станало, ако би било възможно да се създаде система, в която ентропията всъщност намалява, да върнем времето назад, казано по друг начин?

Изследователите в Националната лаборатория към  департамента по енергетика в Аргон в САЩ казват, че вероятно са открили несъвършенство във втория закон на термодинамиката, което позволява ходът на ентропията да се осъществява в обратната посока, поне на микроскопично ниво и в кратък времеви период.

Те изследвали статистическа идея, която поддържа втория закон на термодинамиката, наречена Х-теорема. В най-елементарната си форма, Х-теоремата описва как, ако се отвори врата между две стаи – едната студена, а другата топла – в последствие ще се установи температурно равновесие в двете стаи.

Но, както Айвъри Томсън обяснява за списанието Popular Mechanics, тъй като на практика е невъзможно да се проследи как всяка една молекула се движи в тази ситуация (както и в много по-сложни такива), физиците поделят молекулите на групи, вместо да се занимават с тях поотделно.

За да се добие по-реалистична представа за поведението на отделните молекули спрямо Х-теоремата, екипът в лабораторията в Аргон решил да разгледа процеса на квантово ниво.

Те направили това като използвали квантовата информационна теория, която се основава върху множество абстрактни математически системи и я приложили към физиката на кондензираната материя, за да приложат нов модел на квантова Х-теорема.

„Това ни позволи да формулираме квантовата Х-теорема, тъй като тя се свързва с неща, които могат да бъдат физически наблюдавани” – обяснява Иван Садовски, член от екипа. „Така се създава връзка между добре документираните квантово–физични процеси и теоретичните квантови канали, които съставят квантовата информационна теория.”

Екипът споделя, че в рамките на техния нов квантов Х-теоремов модел, при определени обстоятелства ентропията в процесите вероятно е намалявала, поне временно.

Учените сравняват резултатите с Демона на Максуел, експеримент от 1867 на физика Джеймс Клерк Максуел.

Максуел предположил, че ако малък квантов демон седи на вратата между две хладни стаи и пропуска само частици, които преминават с определени скорости, той ефективно може да контролира хода на температурата, като едната стая се затопля, а другата охладнява.

„Демонът ще позволи единствено на топли обекти да се движат еднопосочно, а на  студените в другата посока” – обясни Томпсън за Popular Mechanics. „Всъщност демонът може да раздели сместа на компоненти.”

Екипът от лабораторията в Аргон е напреднал, като е изобретил математически модел, с който да покаже как дадена квантова система може да бъде създадена, там където има временна „отрицателна печалба на ентропия“ – с други думи, намаляване на ентропията.

“Въпреки че нарушението е само на местно ниво, импликациите са доста по-обхватни” – казва Валери Винкур, член на екипа. „Това ни снабдява с платформа за практическата реализация на квантовия демон на Максуел, което може да допринесе за създаването на локална квантова вечно движеща се машина.”

Това са сложни и доста противоречиви концепции, но изследователите планират да разширят своя екип, за да съумеят да проектират система, която да докаже състоятелността на идеята им, основаваща се на техния квантов Х–теоремов модел.

Ще ни се наложи да изчакаме, за да видим дали ще успеят.

Проучването е публикувано в Scientific Reports.

Превод: Невяна Рогожерова

Източник: Science Alert

Вземете (Доживотен) абонамент и Подарете един на училище по избор!