Mokslo ir technologijų pasaulis

Termodinamikos dėsniai yra vieni iš pamatinių šiuolaikinės fizikos principų, nes jie nusako, kaip fundamentalios kiekybinės fizikinės savybės – temperatūra, energija ir entropija – elgiasi esant įvairioms sąlygoms.

Bet visai neseniai mokslininkai viename iš šių dėsnių aptiko spragą, dėl kurios gali atsirasti tam tikrų scenarijų, kuomet entropija (netvarkos matas) bėgant laikui mažėja.

Šiuolaikinė fizika leidžia mums paaiškinti beveik viską Visatoje. Bendroji reliatyvumo teorija nusako didelių dalykų – žvaigždžių, galaktikų ir pačios Visatos – veikimo principus. Kvantinė mechanika aprašo dalelių veikimo principus atominiame lygmenyje.

Ir vienoje, ir kitoje teorijoje taikomi termodinamikos dėsniai, kurie nusako, kaip karštis (arba šiluminė energija) yra konvertuojama į ir iš įvairių energijos tipų ir kaip tai gali paveikti skirtingas materijos formas.

Paprastai tariant, jei norite žinoti, kaip sistemoje – nuo atomo iki juodosios bedugnės – juda energija, jums reikia vadovautis šiais dėsniais.

O antrasis termodinamikos dėsnis, kuris šiuo metu mus labiausiai domina, nusako, kaip sistemoje energija virsta iš „naudingos“ į „nenaudingą“.

Kai uždaroje arba izoliuotoje sistemoje naudingos energijos kiekis mažėja, nenaudingos energijos ir entropijos kiekis didėja.

Entropija – tai netvarkos arba atsitiktinumo uždaroje sistemoje matas. Antrasis termodinamikos dėsnis tvirtina, kad prarandant naudingą energiją didėja chaosas bei kad virsmas netvarkos kryptimi niekada negali būti apgręžtas.

Antrasis termodinamikos dėsnis fizikai galbūt net svarbesnis už pirmąjį, kuris teigia, kad energija negali būti sukurta arba sunaikinta, nes apibrėžia mūsų Visatos galimybių ribas.

„Tai yra dėsnis, nusakantis neefektyvumą, degeneraciją ir skilimą. Jis mums paaiškina, kad ką bedarytume, visada bus nuostolių ir kad Visatoje esama negrįžtamų procesų. Jis nubrėžia laiko rodyklę ir mums parodo, kad Visatos laukia neišvengiamai tamsus, tuščias likimas“, – sako „The Guardian“ žurnalistas Alokas Jha, daugiausiai besidomintis fizikos temomis.

Bet kas būtų, jeigu toks scenarijus galiotų ne visą laiką? Kas, jeigu galėtume sukurti sistemą, kurioje entropija mažėja – paprastai tariant, tokią, kurioje sudužusio stiklo šukės savaime susiklijuoja į stiklinę?

JAV Energetikos departamento Argono nacionalinės laboratorijos mokslininkai teigia, kad jie galimai aptiko Antrojo termodinamikos dėsnio spragą, kurią išnaudojus entropija gali judėti priešinga kryptimi. Tiesa, tik mikroskopiniame lygmenyje ir labai jau trumpai.

Jie analizavo Antrąjį termodinamikos dėsnį grindžiančią statistinę koncepciją, kuri yra vadinama H-teorema. Paprasčiausios formos H-teorema nusako, kaip atidarius duris tarp dviejų kambarių, kurių viename šalta, o kitame karšta. Ilgainiui bus pasiekta šilta pusiausvyra.

Bet, kaip aiškina „Popular Mechanics“ leidinio žurnalistas fizikas Avery Thompsonas, kadangi praktiškai neįmanoma žinoti, kaip pagal šį (ir kitus, kur kas sudėtingesnius) scenarijų juda visos sistemos molekulės, fizikai jas vertina ne individualiai, o kaip grupes.

Norint realistiškiau suprasti, kaip pagal H-teoremą elgiasi individualios molekulės, Argono laboratorijos mokslininkai nusprendė atlikti tyrimus kvantiniame lygmenyje.

Jie tai atliko taikydami kvantinės informacijos teoriją, grindžiamą daugybe abstrakčių matematinių sistemų, ir pritaikė ją kondensuotų medžiagų fizikai, taip gaudami naują H-teoremos modelį.

„Tokiu būdu gavome galimybę suformuluoti kvantinę H-teoremą. Ji nusako ryšį tarp išsamiai aprašytų kvantinės fizikos procesų ir teorinių kvantinių kanalų, aprašytų kvantinės informacijos teorijoje“, – sakė Argono laboratorijos mokslininkų grupės atstovas Ivanas Sadovskis.

Anot mokslininkų, jų sukurtame naujame H-teoremos modelyje, kuris aprašytas žurnale „Scientific Reports“. Esama tam tikrų sąlygų, kuomet entropija gali mažėti. Bent jau trumpai.

Savo tyrimo rezultatus jie lygino su fiziko Jameso Clarko Maxwello 1867 metais aprašytu minties eksperimentu, pavadintu „Maksvelo demonu“.

Maxwellas iškėlė mintį, kad jeigu mažutis kvantinis demonas sėdėtų prie durų tarp dviejų šiltų kambarių ir praleidinėtų tik molekules, judančias tam tikrais greičiais, jis iš esmės kontroliuotų temperatūrų srautus, tokiu būdu sudarydamas sąlygas vienam kambarių sušilti, o kitam – atvėsti.

„Demonas į vieną pusę praleistų tik šaltas molekules, o į kitą – tik karštas. Paprastai tariant, demonas galėtų atskirti šiltų ir šaltų molekulių mišinį“, – aiškina A. Thompsonas.

Bet Argono laboratorijos mokslininkai vien minčių dėstymu neapsiribojo. Jie sukūrė matematinį modelį, kuriuo parodė, kaip galima būtų sukurti kvantinę sistemą, kurioje laikinai galiotų „neigiamas entropijos didėjimas“. Arba, paprastai tariant, entropijos mažėjimas.

„Nors dėsnio pažeidimas yra tik labai mažu masteliu, jo sukuriamos galimybės yra milžiniškos. Taip mes įgyjame platformą kurti praktinį kvantinį Maksvelo demoną, kuris galėtų sukurti vietinio kvantinio lygmens amžinąjį variklį“, – sakė kitas tos pačios mokslininkų grupės atstovas Valerijus Vinokuras.

Kol kas visi mokslininkų teiginiai yra teoriniame (ir ganėtinai prieštaringai vertinamame) lygmenyje, tačiau fizikai ketina padidinti eksperimentinę grupę, kad, taikydami savo kvantinės H-teoremos modelį, sukurtų koncepcijos patikrinimui skirtą sistemą.

Belieka palaukti rezultatų.