Има квантова вратичка за демона на Максуел и може да наруши Втория закон на термодинамиката

Нов математически модел предполага, че квантовите процеси могат както да нарушават, така и да спазват Втория закон на термодинамиката, в зависимост от техния дизайн.

Екип изследователи в университета Нагоя в Япония е разработил математически модел, който показва, че квантовата теория може да нарушава Втория закон на термодинамиката (или "Закон за ентропията"), но въпреки това квантовите системи могат да бъдат проектирани така, че да го спазват.

Тези открития предоставят допълнителна представа за загадъчната връзка между квантовия свят и термодинамиката. Докато ролята на ентропията е очевидна в класическия свят, веднага щом преминем към квантовия свят, тя се превръща в обект на ожесточени дебати.

"Въпреки основополагащата си роля, Вторият закон остава един от най-обсъжданите и неразбрани принципи в науката. В центъра на този дебат стои парадоксът на "демона на Максуел" – мисловен експеримент, предложен от физика Джеймс Клерк Максуел през 1867 г.", отбелязват авторите на проучването.

Вторият закон срещу демона на Максуел

Според Втория закон на термодинамиката ентропията, която често има краткото описание. че безпорядъкът има тенденция да се увеличава с времето в затворена система. С други думи, законът гласи, че двигател с циклична функция не може да генерира работа, използвайки енергия само от един източник. Винаги трябва да има загуба на топлина, което подкрепя идеята, че времето тече в една посока.

През 1867 г. обаче физикът Джеймс Максуел предлага мисловен експеримент, включващ въображаем демон в система, който оспорва Втория закон. Представете си кутия с газови молекули, разделена на две части от стена с малка вратичка.

Обикновено молекулите се движат на случаен принцип, без температурна разлика между двете страни.

Сега си представете, че малък демон стои до вратата. Той я отваря, когато бърза (гореща) молекула се приближи отляво, пропускайки я в дясната част. Затваря вратата, когато бавна (студена) молекула се приближи отляво, но позволява на бавните молекули отдясно да преминават наляво.

С течение на времето дясната страна на кутията се пълни с по-горещи молекули, а лявата става по-студена – създавайки температурна разлика без използване на енергия. Това изглежда противоречи на Втория закон, тъй като от системата може да се извлече работа, без да се увеличава ентропията.

"Парадоксът интригува физиците повече от век, повдигайки въпроси за универсалността на Втория закон", пишат авторите на проучването.

Следва ли или нарушава квантовият свят Втория закон?

Квантови явления, като суперпозицията, според която една частица може да съществува в множество състояния едновременно, изглежда оспорват концепцията за нарастваща ентропия. Поради това някои учени смятат, че Вторият закон няма място в квантовия свят (вж "Когато Бор греши: Влиянието на един малко известен труд върху развитието на квантовата теория").

Много други обаче твърдят, че квантовата теория всъщност помага за по-дълбокото обяснение на ентропията. Това е така, защото всяко привидно намаляване на ентропията в една част от квантовата система винаги е балансирано от увеличение другаде, което гарантира валидността на Втория закон.

За да се справят с това противоречие, авторите на изследването разработват модел на "демоничен двигател", система, задвижвана от демона на Максуел. Техният подход се корени в теорията на квантовите инструменти, рамка, въведена през 70-те и 80-те години на миналия век, за да опише най-общите форми на квантово измерване.

Моделът включва три стъпки: демонът измерва целева система, след това извлича работа от нея, като я свързва с термична среда и накрая изтрива паметта си чрез взаимодействие със същата среда.

Авторите на проучването са използвали концепцията за ентропията на фон Нойман, за да изчислят извършената и извлечената работа от демона. 

Независимост без конфликт

"Нашите резултати показват, че при определени условия, позволени от квантовата теория, дори след като бъдат отчетени всички разходи, извлечената работа може да надвиши изразходваната, което привидно нарушава Втория закон на термодинамиката", разказва Шинтаро Минагава (Shintaro Minagawa), водещ автор на изследването и докторант в университета Нагоя.

Въпреки това уравненията в модела предполагат, че въпреки това нарушение, все пак има възможност за проектиране на квантови процеси, които спазват Втория закон. 

"Показваме в тази статия, че квантовата теория наистина е логически независима от Втория закон на термодинамиката. Тоест може да наруши закона, просто защото изобщо не "знае" за това", обяснява Франческо Бушеми (Francesco Buscemi). "И все пак – и това е също толкова забележително – всеки квантов процес може да се реализира, без да се нарушава Вторият закон на термодинамиката. Това може да стане чрез добавяне на още системи, докато термодинамичният баланс се възстанови."

"С други думи, квантовата теория потенциално може да наруши Втория закон на термодинамиката, но това не означава, че задължително го прави. Това установява забележителна хармония между квантовата механика и термодинамиката: те остават независими, но никога не са фундаментално в противоречие", добавя Хамед Мохамади (Hamed Mohammady), един от авторите на проучването."

Практически изводи

Констатациите показват, че докато квантовата механика и термодинамиката работят независимо, те могат да бъдат хармонично съгласувани. Това прозрение може да се окаже ценно с напредването на квантовите технологии, предлагайки път за използване на квантовите ефекти, като същевременно се зачитат основните ограничения на природата.

Вместо да ограничава развитието на квантовата технология, изследването предполага, че термодинамичните принципи могат да ръководят проектирането на по-ефективни квантови системи.

Това проучване служи като напомняне за деликатния баланс между основните закони на природата и потенциала за новаторски технологичен напредък.

Справка: Minagawa, S., Mohammady, M.H., Sakai, K. et al. Universal validity of the second law of information thermodynamics. npj Quantum Inf 11, 18 (2025). https://doi.org/10.1038/s41534-024-00922-w 

Източник: No quantum exorcism for Maxwell's demon (but it doesn't need one), Nagoya University

Още по темата

21/02/2025

Физика

Когато Бор греши: Влиянието на един малко известен труд върху развитието на квантовата теория

01/09/2023

Животът

Демонът на Максуел реално съществува в клетките ни

17/02/2016

Физика

Физици създадоха първия фотонен модел на "демона на Максуел" (видео)

21/02/2015

Физика

Стрелата на времето