Демон и Закон

Прогресс идет своим чередом. Знания понемногу копятся, известные законы природы время от времени уточняются. Или теряют статус законов, становясь следствиями более фундаментальных постулатов.

Прогресс идет своим чередом. Знания понемногу копятся, известные законы природы время от времени уточняются. Или теряют статус законов, становясь следствиями более фундаментальных постулатов. Чаще всего это случается, если появляются новые приложения. Гораздо реже представления приходится полностью пересматривать. Но многие постулаты, особенно в физике, удивительно живучи. Один из таких фундаментальных физических законов - второе начало термодинамики, - пожалуй, самый популярный объект для нападок и источник множества недоразумений. Закон был открыт без малого два века назад, и одна из его многочисленных формулировок гласит, что мера беспорядка (энтропия) в замкнутой системе может только увеличиваться.

Второе начало задало направление времени и тем самым стало противоречить механике сначала классической, а затем квантовой и релятивистской. Все эти теории, успешно описывающие движение тел, от скоплений галактик до элементарных частиц, в том или ином смысле не замечают обращения времени. И это фундаментальное противоречие давно не дает покоя ученым, не говоря уж о чудаках, колдующих над вечными двигателями.

Немудрено, что с законом возрастания энтропии постоянно случаются недоразумения. Одно из них спровоцировал ещё Максвелл, придумав в 1867 году мысленный эксперимент с демоном. Это существо управляло маленькой дверкой в перегородке между двумя сосудами с газом. Открывая вовремя дверку, демон пропускал направо только быстрые, то есть горячие молекулы, а налево, наоборот, медленные холодные. Постепенно в сосудах создавался перепад температуры, на котором легко запустить обычный тепловой двигатель. Так, с помощью демона можно было бы создать вечный двигатель, нарушающий второе начало термодинамики.

С тех пор разнообразные реализации "демона Максвелла" в виде храповиков или других, более замысловатых механизмов постоянно обсуждаются в учебниках и научных статьях. А благодаря нанотехнологиям даже поставлен ряд экспериментов. Впрочем, большинство из них по-прежнему остаются только мысленными.

Пожалуй, простейший вариант "демона Максвелла" - это перегородка посередине сосуда, которая может пропускать попадающие в нее молекулы только в одном направлении. Такой конструкции достаточно, чтобы собрать молекулы в одной половине сосуда, что тоже ведет к уменьшению энтропии и, как следствие, к возможности создания вечного двигателя на перепаде давлений. Именно такой вариант "демона Максвелла" недавно удалось изготовить физикам из Орегонского университета. Там из двух лазерных лучей создана оптическая перегородка, которая может пропускать атомы ультрахолодного рубидия-87 только в одном направлении.

Сами атомы находятся в так называемой дипольной ловушке, которая ограничивает их перемещение в области, похожей на трубку. Все атомы сначала находятся в одном состоянии, а частота лазера, разрезающего ловушку посередине, подобрана таким образом, чтобы атомы могли беспрепятственно проходить сквозь луч. Но затем с одной стороны включается второй лазер, который переворачивает спины атомов так, что они начинают отскакивать от луча первого лазера и в конце концов собираются в одной половине ловушки. Эта комбинация лучей очень похожа на перегородку, проницаемую только в одном направлении.

Впрочем, многие специалисты относятся к этим экспериментам скептически. Они отмечают, что на поддержание работы лазеров тратится столько энергии, что ни о каком нарушении второго начала и речи быть не может. Да и в известных методах лазерного охлаждения атомов энтропию, по сути дела, забирают у газа и передают её другим частям системы. Завидуют...

На другой случай нарушения второго начала термодинамики неожиданно наткнулись японские физики из университетов Киото и Чуо. Они моделировали столкновения нанокластеров и обнаружили, что иногда они отскакивают друг от друга с большей скоростью, нежели была до их встречи.

С обычными мячиками такого случиться не может. Но расчеты лобовых ударов двух кластеров из нескольких сотен атомов методом молекулярной динамики показывали, казалось бы, невозможное. Скорость отскока порой возрастала на пять процентов, хотя в других вариантах того же расчета она, как и ожидалось, падала. Энергию на увеличение скорости взять было неоткуда, кроме как из тепловых колебаний атомов кластера. Они находились при температуре два градуса Кельвина, а скорость столкновений была немного меньше характерной тепловой скорости атомов в кластере и достигала десяти метров в секунду. Получалось, что при столкновении кластеры слегка остывали, а тепловая энергия сама превращалась в механическую энергию отскока, что противоречит второму началу термодинамики.

Проверка показала, что ошибки тут нет, поскольку в среднем по многим соударениям скорость кластеров после удара все же заметно падала. То есть необычные расчеты - это просто флуктуации, случайные отклонения, которые допускаются теорией. Оказывается, на наномасштабах такие флуктуации особенно сильны. И это придется учитывать при анализе технологий напыления наночастиц и при изучении процессов слипания космической пыли, ведущих к образованию звезд и планет.

Из еженедельника "Компьютерра" № 16 (780)