«Стрела времени» отменена в квантовом эксперименте

Ваша чашка кофе не будет внезапно нагреваться сама по себе, но чашка с горячем кофе будет со временем остывать. Но одно и то же правило не обязательно должно относится к квантовым системам. Как и потепление холодной кружки, тепло может самопроизвольно вытекать из холодной квантовой частицы в более теплую, при определенных условиях, сообщают исследователи 10 ноября на arXiv.org. Это явление, похоже, указывает «стрелу времени» — идею о том, что естественные процессы всегда протекают из прошлого в будущее, а не наоборот.

Существование «стрелы» следует из второго закона термодинамики. Закон гласит, что энтропия, со временем возрастает. Это правило объясняет, почему легко разбить стекло, но трудно вернуть его в первоначальное состояние, и почему тепло самопроизвольно протекает от горячего к холодному, а не в противоположном направлении.

Новый результат, однако, «показывает, что стрела времени — это не абсолютная концепция, а относительное понятие», — говорит соавтор исследования Эрик Лутц, физик-теоретик из Университета Эрланген-Нюрнберг в Германии. Лутц говорит, что у разных систем могут быть стрелы времени, указывающие в разных направлениях. Хотя стрелка, по-видимому, была обращена вспять для двух квантовых частиц, исследователи изучали, например, стрелку, указывающую в своем типичном направлении в остальной части лаборатории.

Реверсирование стрелки времени стало возможным для квантовых частиц, потому что они были скоррелированы — их свойства были связаны таким образом, что это невозможно для более крупных объектов, отношений, подобных квантовому запутыванию, но не столь сильным. Эта корреляция означает, что частицы имеют некоторую информацию. В термодинамике информация имеет физическое значение. «Есть порядок в форме корреляций», — говорит физик Дэвид Дженнингс из Оксфордского университета, который не участвовал в исследовании. «Этот порядок похож на топливо», который может потребляться для подачи тепла в обратном направлении.

Во главе с физиком Роберто Серрой из Федерального университета ABC в Санто-Андре, Бразилия, экспериментаторы манипулировали с молекулами хлороформа, которые состоят из атомов углерода, водорода и хлора. Ученые подготовили молекулы так, чтобы температура, определяемая вероятностью нахождения ядра атома в более высоком энергетическом состоянии, была больше для ядра водорода, чем для углерода. Когда энергетические состояния двух ядер были некоррелированы, тепло протекало как обычно, от горячего водорода до холодного углерода. Но когда у двух ядер были достаточно сильные квантовые корреляции, тепло текло назад, заставляя горячее ядро ​​​​становилось холоднее.

«Дело не в том, что это противоречит любым законам физики, — говорит Влатко Ведрал, физик из Оксфордского университета, не участвующий в исследовании. Стандартный второй закон термодинамики предполагает, что таких корреляций нет. Когда второй закон обобщается для учета корреляций, закон сохраняет свою силу. По мере того как тепло течет, корреляции между двумя ядрами рассеиваются, процесс, который компенсирует энтропию, уменьшается из-за обратного теплового потока.

«Это очень хороший эксперимент, — говорит физик Херардо Адессо из Университета Ноттингема в Англии. Но, по его словам, теоретические физики уже предсказывали, что такой эффект может произойти, поэтому «это не удивительно».

Ученые надеются использовать странную термодинамику квантовых частиц для создания квантовых двигателей, которые могли бы выполнять задачи, недоступные типичным машинам, такие как управление направлением теплового потока на малых масштабах, — говорит Серра.