Обычный второй закон гласит, что Вселенная находится в состоянии растущего беспорядка. Он говорит нам, что чашка горячего чая в холодной комнате скорее остынет, чем нагреется; что даже самые эффективные машины будут терять часть энергии в виде тепла; и, что более прозаично, дом со временем будет становиться все более беспорядочным, а не прибираться сам.
Исследование, опубликованное в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, показывает, что в очень малых масштабах на самом деле существует целое семейство «вторых законов», которые могут приводить к неожиданным и противоречащим интуиции явлениям.
«Традиционный второй закон термодинамики иногда рассматривается как статистический закон, который выполняется только тогда, когда существует огромное количество частиц, составляющих систему», — сказал профессор Джонатан Оппенгейм (UCL Physics & Astronomy), один из авторов учиться. "Даже если отдельные части системы могут стать более упорядоченными, общая энтропия всей системы (мера беспорядка) увеличивается."
В некотором смысле традиционный второй закон выполняется только в среднем.
В последнее время физики начали задаваться вопросом, выполняется ли второй закон не только в среднем для очень больших систем, но и в отношении небольших индивидуальных систем, таких как системы с небольшим числом частиц. Удивительно, но исследователи обнаружили, что второй закон не только выполняется в таких малых масштабах, но на самом деле действует множество других вторых законов. Другими словами, как и большие системы, маленькие системы также имеют тенденцию становиться более беспорядочными.
Но есть дополнительные вторые законы, которые ограничивают способ увеличения беспорядка.
«Эти дополнительные вторые законы можно рассматривать как говорящие о том, что существует множество различных видов расстройств в небольших масштабах, и все они имеют тенденцию увеличиваться с течением времени», — сказал соавтор, профессор Михал Городецки (Гданьск).
Исследователи обнаружили дополнительные меры беспорядка, все отличные от стандартной энтропии, которые количественно определяют различные типы беспорядка.
Они показали, что не только увеличивается энтропия, но и другие типы беспорядка также должны увеличиваться.
"Статистические законы применяются, когда мы рассматриваем большие числа. Например, представьте, что мы подбрасываем монету тысячи раз.
В этом случае мы ожидаем увидеть примерно одинаковое количество решек. Однако это не так, если подбросить монету всего несколько раз.
Возможно, мы найдем все хвосты приземления монет. Подобные явления происходят при рассмотрении систем, состоящих из очень небольшого числа частиц, а не из очень большого числа частиц ", — сказала соавтор профессор Стефани Венер (Делфт). "Мы можем использовать инструменты из квантовой теории информации, чтобы понять случай, когда у нас нет большого количества частиц."
Профессор Оппенгейм добавил: «Хотя квантовый дом будет более беспорядочным, чем аккуратным, как обычный дом, наши исследования показывают, что способы, которыми он может стать более беспорядочным, ограничиваются рядом дополнительных законов.
Что еще более странно, то, как эти вторые законы взаимодействуют друг с другом, может даже выглядеть так, будто традиционный второй закон был нарушен. Например, небольшая система может спонтанно стать более упорядоченной, когда она взаимодействует с другой системой, которая, кажется, почти не меняется.
Это означает, что некоторые комнаты в квантовом доме могут спонтанно стать намного опрятнее, в то время как другие станут грязнее, но незаметно."
Результаты исследования позволяют лучше понять, как тепло и энергия преобразуются в очень малых масштабах.
Ожидается, что это найдет широкое применение при проектировании небольших систем, включая наноразмерные устройства, биологические двигатели и квантовые технологии, такие как квантовые компьютеры.