140-летнюю гипотезу Больцмана подтвердили экспериментально
Группа американских физиков из Колорадского университета в Боулдере поставила эксперимент, подтверждающий выдвинутую 140 лет назад Людвигом Больцманом гипотезу о том, что некоторые системы в определенных условиях никогда не достигнут состояния теплового равновесия. Авторы исследовали охлажденный до низкой температуры атомный газ 87Rb, запертый в магнитной ловушке, и выяснили, что подобная система действительно не достигает теплового равновесия. Результаты работы опубликованы в Nature Physics.
Обычно считается, что изолированная система, предоставленная сама себе, стремится к увеличению энтропии и должна достичь состояния теплового равновесия, при котором в системе не будет наблюдаться никаких тепловых потоков. Однако, при рассмотрении решений кинетических уравнений, описывающих тепловые потоки в газах, Людвиг Больцман обнаружил, что теоретически возможно существование системы, которая никогда не достигнет теплового равновесия.
Кинетическое уравнение Больцмана описывает эволюцию функции распределения плотности вероятности во времени. Однако, существуют определенные потенциалы (части полевого слагаемого), для которых решением уравнения является неравновесное распределение (то есть зависящее от времени). В физике твердого тела многие кинетические явления (эффект Холла, электро- и теплопроводность) описываются равновесным решением кинетического уравнения Больцмана.
Примером такого "специального" потенциала является трехмерный изотропный гармонический потенциал с решением в виде сферически симметричной монопольной колебательной моды. При подобных колебаниях форма остается сферической, а объем осциллирует относительно среднего равновесного положения (поэтому такую колебательную моду еще иногда называют дыхательной). Иначе говоря, под действием определенного потенциала, в газе происходят осцилляции размера газового облака и температуры, причем эти величины колеблются в противофазе. Авторы сравнивают эти осцилляции с преобразованием кинетической энергии в потенциальную при гармонических колебаниях. В случае дыхательной моды колебания носят незатухающий характер, поскольку энтропия системы не возрастает вследствие специфического характера взаимодействия между атомами.
Подтверждение гипотезы заняло 140 лет из-за сложности постановки эксперимента. Во-первых, для проведения эксперимента газ должен быть идеально изотропным, а во-вторых, должен располагаться в идеальной гармонической камере. Для реализации этой системы авторы использовали магнитную ловушку, состоящую из множества магнитных катушек. Подобная конструкция позволяет независимо варьировать множество параметров поля, благодаря чему авторы сумели добиться возбуждения монопольной колебательной моды в охлажденном атомарном газе из атомов рубидия.
Ученые измерили затухания в системе и обнаружили, что они гораздо слабее, чем в аналогичной системе, в которой возбуждены квадрупольные колебательные моды (при которых атомы изменяют свою форму при осцилляциях на овальную). Само наличие затухания в теоретически незатухающей системе авторы объяснили неидеальностью реальной физической установки.
Элементный состав современной Земли сформировался, скорее всего, в результате аккреции из окружающего космического пространства газа, который образовался при столкновении двух астероидов. Сразу две статьи, подтверждающие такую гипотезу, вышли в новом номере Nature. Одна из научных групп сделала такой вывод, исследовав изотопный состава магния, а другая предложила подобный механизм на основе содержания на Земле летучих элементов.