Запутанность спинов «нарушила» второй закон термодинамики
Если скоррелировать спины двух атомов, находящихся в тепловых состояниях с разными температурами, то тепло потечет от «холодного» атома к «горячему», а энтропия системы будет уменьшаться. Казалось бы, это нарушает второй закон термодинамики. Физики экспериментально исследовали этот эффект и показали, что уменьшение энтропии совпадает с уменьшением взаимной информации атомов, то есть применять второй закон термодинамики здесь нельзя. Препринт статьи доступен на arXiv.org.
В классической термодинамике эволюция макроскопических систем описывается с помощью классических законов движения, которые симметричны относительно обращения времени. Другими словами, если в какой-то момент направить скорости всех частиц в обратную сторону, внешне ничего измениться не должно. Тем не менее, большинство термодинамических явлений необратимы — например, тепло может течь только от горячего тела к холодному, но не наоборот. При этом направление всех процессов определяется вторым законом термодинамики, который утверждает, что энтропия замкнутой системы не может убывать. Некоторые физики, например Артур Эддингтон, называют такое направление «осью времени» (смотри главу «Time» в книге «The Nature of the Physical World»).
Однако в квантовом мире этот закон не обязательно будет выполняться, и энтропия замкнутой системы может уменьшаться. Правда, тут стоит сделать оговорку и пояснить, как физики определяют энтропию квантовых систем, поскольку «классическое» определение здесь уже не работает. В этом случае энтропию находят, вычисляя след от произведения матрицы плотности вероятности на ее логарифм (так называемая энтропия фон Неймана). Матрица плотности — это такая матрица, которая описывает распределение вероятностей различных состояний системы. При этом она позволяет учесть, что состояния могут «смешиваться» между собой (например, у кота Шрёдингера смешиваются состояния «жив» и «мертв»). Таким образом можно найти энтропию отдельных частиц, а в пределе больших систем энтропия фон Неймана переходит в привычную термодинамическую энтропию.
В данной статье группа физиков под руководством Эрика Лутца (Eric Lutz) экспериментально исследовала, как будет эволюционировать со временем система из двух спинов, изначально находящихся в тепловых состояниях с разной температурой. Тепловое состояние квантовой системы — это обобщение обычного распределения Гиббса, которое описывает, какова вероятность найти атом в состоянии с определенной энергией при заданной температуре. Для этого физики поместили в однородное магнитное поле образец жидкого хлороформа CHCl3, в котором атомы обычного углерода-12 были заменены на атомы углерода-13, а затем наблюдали за взаимодействием между атомами углерода и водорода, находящихся в одной молекуле. Квантовые состояния атомов ученые регулировали с помощью коротких радиоимпульсов. За эволюцией системы физики наблюдали в течение нескольких миллисекунд — за это время ее квантовое состояние не успевает распасться. Кроме того, физики численно смоделировали процессы, происходящие в системе, и показали, что эксперимент хорошо согласуется с теорией.
Если спины атомов изначально не были скоррелированы, ничего особенного не происходило — тепло переходило от «горячего» атома к «холодному», температуры атомов выравнивались, а суммарная энтропия возрастала. Под «горячим» атомом здесь понимается атом, находящийся в тепловом состоянии с большей температурой. Однако когда физики «запутали» атомы (то есть скоррелировали их спины), процесс пошел в обратную сторону, и разница температур атомов возросла на небольшой промежуток времени, а энтропия системы уменьшилась. Авторы статьи пишут, что «время как будто бы повернуло вспять» (the arrow of time is reversed).
Тем не менее, ученые утверждают, что в действительности нарушение второго закона термодинамики здесь не происходит, потому что его в принципе нельзя применять к подобным системам. Если мы построим графики зависимости энтропии и взаимной информации (то есть «меры запутанности») систем от времени, то увидим, что они уменьшаются практически одновременно. Поэтому можно сказать, что «суммарная разупорядоченность» системы все так же растет со временем. Стоит отметить, что теоретически возможность использования взаимной информации для уменьшения энтропии системы предсказывали еще в 1989 году.
Вообще говоря, физики очень любят нарушать второй закон термодинамики, включая в рассмотрение квантовые эффекты. Например, этой осенью мы писали о том, как внешние наблюдения обратили потоки тепла и частиц в наноразмерном термоэлектронном приборе, то есть заставили холодное тело отдавать тепло горячему. Кроме того, прошлой зимой физики-теоретики из МФТИ показали, что в замкнутых квантовых системах энтропия может убывать с течением времени.
Дмитрий Трунин
Точность эксперимента в два с половиной раза превзошла предыдущие
Физики подтвердили нулевое значение дипольного момента электрона с точностью в два с половиной раза выше предыдущей. Для этого ученые поместили ионы гафния в сверхсильное электрическое поле и измерили разность энергий их различных квантовых состояний. Исследование позволит лучше ограничить константы физики за пределами Стандартной модели, пишут ученые в Science. Электрический дипольный момент электрона — мера внутренней асимметрии распределения его заряда. Согласно предсказаниям Стандартной модели, его значение хоть и не равно нулю, но чрезвычайно мало: не более 10-38 заряда электрона на сантиметр. Поэтому в пределах доступной сейчас чувствительности эксперимента (10-30 заряда электрона на сантиметр — это выше искомого значения на восемь порядков) дипольный момент считают нулевым. Вклад в теоретическое значение вносит нарушение CP-симметрии (сочетание зарядовой симметрии и симметрии четности), которое возникает из-за слабого взимодействия между частицами. Это нарушение уже является частью Стандартной модели. Однако дополнительные нарушения, значения которых превышают текущие теоретические значения, смогли бы объяснить дисбаланс материи и антиматерии во Вселенной (подробнее об этом читайте в нашем материале «Вселенная вместо ничто»). Такие нарушения в теории можно ввести лишь при расширении Стандартной модели частицами Новой физики. Кандидатов на роль нарушителей довольно много: например, портал Хиггса, хамелеоновские частицы и B−L бозоны нарушают CP-симметрию при высоких энергиях. Подобные измерения уже проводились, однако в рамках заданной точности эксперимента (10-29) значение оказалось равным нулю, и, следовательно, наличие новых частиц эксперимент не подтвердил. Повысить точность довольно сложно — нужны сверхсильные электрические поля (больше 20 гигавольт на сантиметр). Чтобы проверить, не отличается ли все же дипольный момент электрона от нуля, группа ученых из Колорадского университета под руководством Тани Русси (Tanya S. Roussy) создала в ионной ловушке поле с напряженностью 23 гигавольта на сантиметр и поместила в нее ионы гафния HfF+. Благодаря этому физики повысили точность измерения дипольного момента электрона на порядок. Во внешнем электрическом поле ионы гафния HfF+ выстраиваются вдоль силовых линий, создавая эффективное электрическое поле, которое воздействует на спин электрона. Ученые фиксировали разность энергий между двумя дублетными состояниями иона, которая чувствительна к наличию дипольного момента. У одного состояния внутримолекулярная ось (ось, перпендикулярная плоскости движения пары электронов дублетного состояния) параллельна приложенному полю, у другого — антипараллельна. Значение разности получали измерением частоты перехода из одного квантового состояния в другое с помощью спектроскопии Рэмси, основанной на явлении магнитного резонанса. Cравнив измеренную разность энергий с теоретической (по предсказаниям Стандартной модели), ученые определили значение дипольного момента. Оно оказалось равным нулю с погрешностью менее 4,1 × 10-30 заряда электрона на сантиметр. Благодаря повышению точности исследователям удалось получить новые оценки для расширений Стандартной модели, объясняющих дисбаланс материи и антиматерии. Эффективная масса их бозонов должна быть более 40 терраэлектронвольт. Это на порядок больше максимальной массы частиц, детектируемых Большим адронным коллайдером. А значит, при дальнейшем увеличении точности метода можно обнаружить частицы, невидимые в экспериментах физики высоких энергий. Ученые продолжают искать следы новой физики в экспериментах по определению квантовых характеристик элементарных частиц. Физики уже обнаружили отклонения от Стандартной модели в измерениях магнитного момента мюона, а недавно улучшили оценку магнитного момента электрона.