Усовершенствованная версия демона Максвелла дает бой второму закону термодинамики
Москва, 18:30, 04 Окт 2020, редакция FTimes.ru, автор Евгений Омельченко.
Второй закон термодинамики – это непреложная истина, которая гласит, что энтропия (физическая величина в термодинамике) является функцией состояния термодинамической системы. Но в 1867-м году британский физик Джеймс Максвелл провел мысленный эксперимент, позже названный «демоном Максвелла». Он опроверг второй закон. В чем его суть и действительно ли он опровергает физическую истину?
В начале двадцатого века демона Максвелла разоблачили, но сейчас его новая версия успешно функционирует
Демон Максвелла является воображаемым существом, которое управляет комнатой с непроницаемой перегородкой, разделяющей ее на две части. Демон ограничивает движение молекул в помещении, отправляя быстрые частицы в левую часть с горячим газом, а медленные частицы — в правую часть с холодным газом. В итоге этот демон получает возможность снижать энтропию газа, то есть идти против второго термодинамического закона.
Спустя шестьдесят с лишним лет в 1929-м еврейско-американский физик Лео Сциллард разоблачил демона Максвелла, установив, что тот не меняет энтропию системы, так как объединяется с газом в единое целое. Так сложилось что в последние годы аналог Максвелловского демона разрабатывается физиком Марком Рейзеном в университете Техаса. Парадокс этой истории в том, что Рейзен является сыном кардиолога, который в свое время лечил того самого Лео Сцилларда, пытавшегося опровергнуть реальность демона.
Марк Рейзен занимается охлаждением газа до температуры в несколько микрокельвинов. Для этого он применяет несколько направленных лазеров, которые запирают газ в своеобразной магнитной ловушке. Этот газ состоит из атомов в двух состояниях – синем и красном. Лазеры начинают переводить синие атомы в состояние красных и наоборот. В конечном итоге действие двух разнонаправленных лазеров на атомы приведет к тому, что в одной части будут скапливаться как раз-таки синие атомы, а красные – займут другую часть. Это очень напоминает принцип действия демона Максвелла.
Охлаждение газом происходит по аналогии с демоном Максвелла, но без изменения энтропии
Но как же быть с самим процессом охлаждения газа лазерами? Профессор Марк Рейзен отмечает, что дальнейшие манипуляции с центральным лазером позволяют заполнить газом всю магнитную ловушку. И вот таким образом удается добиться охлаждения газа. Это не какая-то научная непроверенная теория, а конкретная разработка, которая эффективно применяется уже на протяжении трех лет.
Впервые при помощи экспериментальной техники удалось охладить до микрокельвинов рубидий. Открытая техника была названа однофотонным охлаждением, потому что переход атомов между двумя состояниями осуществляется путем рассеивания всего одного фотона. Это отличает разработанную командой под руководством Марка Рейзена методику от допплеровского метода, в котором газ охлаждается благодаря торможению атомов, а для этого необходимо использовать большое число фотонов.
Ну, а как же быть с той самой непреложной истиной в виде существования энтропии? Марк Рейзен акцентирует внимание на том, что она сохраняется. Разработанный аналог демона Максвелла при этом оказался более совершенной его версией, которая не опровергается теорией Лео Сцилларда. Конечно, ни Максвелл, ни последующие поколения физиков не верили в реальную осуществимость тончайшего манипулирования газовыми частицами. Действительно, двадцать лет назад проведение такого эксперимента считалось чем-то из разряда фантастики, но вот мы живем в двадцатые годы XXI столетия, и наука демонстрирует – нет ничего невозможного. Поэтому Максвелл был бы доволен тем, как удалось «проапгрейдить» его демона.
