В квантовом мире не соблюдается второй закон термодинамики?

Международная группа исследователей под руководством ведущего научного сотрудника Лаборатории квантовой теории информации МФТИ и Института теоретической физики им. Л. Д. Ландау РАН Гордея Лесовика в ходе экспериментов обнаружила условия, при которых второй закон термодинамики может локально нарушаться. Ученые установили, что в некоторых случаях в квантовых системах энтропия может убывать. 

Для описания парадокса перехода тепла от холодного тела к горячему ученый Джеймс Максвелл придумал некую условную силу, так называемого «демона Максвелла»

Одна из формулировок второго закона термодинамики гласит о неубывании энтропии в замкнутых системах. Однако исследователи нашли опровержение этому тезису и сформулировали H-теорему  Людвига Больцмана на языке квантовой физики.

Принцип роста энтропии в конце XIX в. Людвиг Больцман сформулировал в так называемой H-теореме («аш-теорема»). Согласно теореме, величина энтропии в замкнутой системе, состояние которой описывается кинетическим уравнением, либо растет, либо остается постоянной. Доказательств теоремы в рамках традиционной физики на протяжении многих лет не было. Но появление квантовой механики позволило ученым предположить наличие связи между H-теоремой и квантовыми явлениями. Позднее в рамках квантовой теории информации были получены данные, которые описывают условия убывания энтропии.

Группа ученых под руководством Гордея Лесовика после нескольких лет экспериментов пришла к выводу, что, вероятно, Н-теорема неверна для квантовой системы. Даже если система энергетически изолирована, этого недостаточно, чтобы энтропия не убывала. Исследователи обнаружили, что в квантовых системах относительно небольшого, но макроскопического размера — сантиметры и даже метры, второй закон термодинамики может локально нарушаться. В классической физике уменьшение энтропии связано с передачей тепловой энергии, а в квантовом мире снижение энтропии может происходить без передачи энергии — за счет квантовой запутанности.

Сейчас ученые проводят экспериментальную проверку этого эффекта. При положительных результатах появится возможность создания квантовых холодильников и двигателей нового типа.

По сообщению сайта  Московского физико-технического института, исследование опубликовано в  Scientific Reports.