Измерено производство энтропии в системе ядерных спинов

Международная группа экспериментаторов впервые измерила производство энтропии в микроскопической квантовой системе, представлявшей собой спин ядра углерода-13. Тем самым было доказано, что необратимость процессов во времени возникает уже на квантовом уровне. Результаты эксперимента опубликованы в журнале Physical Review Letters.

стрела времени

Проблема существования определённого направления течения времени — или, как его часто называют, стрелы времени — является одной из фундаментальных в физике. Заключается она в том, что как в классической механике, так и в квантовой все фундаментальные законы, управляющие движением элементарных частиц, обратимы во времени, то есть если поменять направление течения времени на обратное, эти законы не изменятся, и оба направления должны быть равноправны. На практике, однако, мы хорошо знаем, что целая чашка от падения на пол разбиться может, а вот разбитая чашка, сколько её не кидай, обратно в целую не соберётся никогда.

Наличие стрелы времени в физике связывают со вторым законом термодинамики, согласно которому существует такая величина как энтропия, и она не может уменьшаться со временем. То есть в одном направлении течения времени энтропия увеличивается — и это и есть направление из прошлого в будущего, и именно из-за роста энтропии возникает необратимость процессов. Особенностью понятия энтропии является то, что она строго может быть введена только для большого числа частиц, то есть только для макроскопических объектов. Поэтому возникает вопрос, где же тогда возникает необратимость? Существует ли какая-то граница между микро- и макромиром, ниже которой необратимости не существует? Или же что-то аналогичное энтропии существует и на уровне отдельных частиц?

Чтобы разобраться с этими вопросами необходимо научиться измерять изменение энтропии — или, как его называют учёные, производство энтропии — для квантовых систем. Именно это и было впервые проделано в обсуждаемой работе. В качестве квантовой системы авторы выбрали спины ядер углерода-13, входивших в состав хлороформа, охлаждённого до жидкого состояния. Образец с хлороформом помещали в сильное магнитное поле и охлаждали до сверхнизких температур.

Известно, что если состояние системы изменять адиабатически, то есть очень медленно, то все изменения обратимы, а производство энтропии равно нулю. Чтобы система претерпела необратимое изменение, её надо вывести из равновесия сильным и коротким воздействием. В условиях обсуждаемого эксперимента учёные должны были повернуть спины ядер за времена меньше десятых долей миллисекунды. Для этого они воспользовались явлением ядерного магнитного резонанса. Спины ядер в сильном магнитном поле совершают небольшие осцилляции, называемые прецессией, на частоте в сотни мегагерц. Если на них послать радиочастотный импульс той же частоты, то в результате резонанса можно внести большое возмущение в движение спинов даже коротким импульсом.

Экспериментаторы, однако, посылали на систему не один импульс, а два, причём второй был точной копией первого, но обращённой во времени. Этот импульс пытался вернуть систему в первоначальное состояние. И если бы производство энтропии равнялось нулю (как в медленных процессах), то спины ядер должны были бы вернуться в свои изначальные положения. Именно это и наблюдалось в случае, когда импульсы были длинными — больше 300 микросекунд. Однако для импульсов порядка 100 микросекунд учёные наблюдали производство энтропии, и спины в начальное положение не возвращались.

Схематическое изображение проведённого эксперимента
Схематическое изображение проведённого эксперимента

Конечно, из-за квантовых и отчасти тепловых флуктуаций измеренное производство энтропии в некоторых случаях было отрицательным, и только в среднем получилось строго положительным. Однако именно этого и следовало ожидать из законов квантовой термодинамики. Таким образом, опубликованная работа стала первым прямым экспериментальным подтверждением этих законов, показав, что и на квантовом уровне наблюдается возникновение стрелы времени.

Однако главным достижением работы стала демонстрация метода проведения контролируемых термодинамических экспериментов в квантовом режиме. Существование такого метода позволит в будущих исследованиях выявить происхождение стрелы времени, а также ответить на ряд других фундаментальных вопросов в области квантовой информации и квантовой термодинамики. Например, имеет ли отношение явление необратимости к потере квантовой информации и квантовой когеренции, может ли квантовая термодинамика дать новый критерий, позволивший бы отсечь хотя бы часть существующих интерпретаций квантовой механики, влияет ли необратимость на энергетическую стоимость квантовых вычислений и т. д.

Захватывающее объединение термодинамики и квантовой физики продолжается.


Эта статья изначально опубликована на сайте N+1.

comments powered by Disqus