(Джерело зображення: ThinkStock)

Другий закон термодинаміки приблизно говорить, що нічого не можна отримати з нічого. Так як вільної енергії немає, наприклад, створити вічну машину руху неможливо, хоча деякі, принаймні цікаві спроби, вже були випробувані.

Іншим аспектом цього ж закону є той факт, що енергія завжди намагається врівноважити себе. Якщо у вас є горщик з гарячою водою і налийте в нього трохи холодної води, ви закінчитеся теплою рідиною. Якщо ви хочете охолодити або нагріти цю воду, у вас повинно бути зовнішнє джерело живлення.

Джеймс Максвелл та його розумові вправи

Все було ідеально, поки шотландський Джеймс Максвелл не запропонував вправу, яка б бентежила розум багатьох людей у ​​1867 році: Уявіть, у вас є ємність з теплою водою. У цій воді є молекули, що збуджуються з різною швидкістю, "гарячіші" швидко рухаються, а "холодніші" - повільно. Тим не менше, середня температура води тепла.

Тоді Максвелл запропонував розділити цей контейнер на дві половини, залишивши між собою лише крихітні дверцята розміром з молекулою води. Побудуйте двері так, щоб швидкі молекули притягувались до неї і накопичувались в одній половині ємності, і кожного разу, коли повільна молекула наближається до дверей, вона переходить на іншу сторону.

Таким чином, через деякий час ця двері наказала молекулам бути швидкими та повільними, тобто тепла вода перетворилася б на гарячу та холодну воду без використання зайвого джерела енергії. Другий закон термодинаміки, очевидно, порушений.

Порушення другого закону на практиці

Ідея Максвелла цікава, але розумова вправа. Однак у 2010 році вчені показали, що можна зробити шматок пластикового руху з випадковим рухом молекул повітря, з дверима, подібним до того, який запропонував Максвелл у своїй вправі.

Шматок пластику ставиться на початку невеликої драбини і раптом починає відсуватися вгору. Щоразу, коли він робить це, електричні двері закриваються прямо під ним. Потужність, що використовується в цьому порту, виділена від решти системи, щоб переконатися, що вона не заважає експерименту. З часом пластик досягає верхньої частини сходів без зовнішньої енергії на нього.

Перетворення інформації в енергію

Після довгого вивчення цих випадків фізики дійшли висновку, що ці експерименти залежать від дуже багато дуже точної інформації про систему, в якій вони проводяться. У розумових вправах Максвелла потрібно знати швидкість переміщення молекул, а в практичному експерименті 2010 року вам завжди потрібно стежити за положенням шматка пластику.

Усі ці вимірювання залежать від енергії, яка, в свою чергу, намагається врівноважити себе "вільною" енергією, яка знаходиться поза системою. Іншими словами, відбувається перетворення інформації в енергію: інформація про положення шматка пластику в кінцевому підсумку перетворюється в енергію, яка штовхає його вгору. Тобто Другий закон термодинаміки зрештою залишається недоторканим.

Божевільні речі квантового світу

Зараз вчені з Кіотського університету та Токійського університету, обидва в Японії, виявили, що квантова механіка приносить певні додаткові ускладнення цим експериментам і що знову ж таки другий Закон термодинаміки насправді порушується.

(Джерело зображення: Відтворення / arXiv)

З цією метою вони додають до вправи Максвелла концепцію, відому як квантове заплутування. Коли дві частинки квантово переплітаються, вони поводяться як одна, хоча вони розділені цілим всесвітом один від одного. Таким чином, можна виміряти лише одну з них та отримати інформацію про іншу. І, як ми бачили раніше, інформація в цьому контексті - це енергія.

Тому у вищенаведеному випадку можна було б використовувати енергію для вимірювання половини молекул та отримання інформації про всі вони. Іншими словами, можна було б розділити контейнер між «гарячою» та «холодною» молекулами, використовуючи лише половину енергії, необхідної для класичної моделі.

Наразі все це лише математичне обчислення, заповнене грецькими символами у науковому документі (PDF). Але великим досягненням авторів було встановити, що Другий закон термодинаміки також залежить від квантових ефектів, і тепер команда працює над способом її розширення, щоб вирішити це одкровення.

За даними веб-сайту Technology Review, це дослідження матиме важливий вплив на всілякі явища - від чорних дір та астробіології до наномашин та квантової хімії.

Джерело: Технологічний огляд