Блог компании SkillFactory.Второй закон термодинамики — один из самых священных во всей науке, но он всегда опирался на обоснование XIX века, которое касается вероятности. В новой аргументации истинный его источник усматривают в потоках квантовой информации. Подробности — к старту флагманского курса по Data Science.

Автор оригинала: Philip Ball. Среди всех физических законах, пожалуй, нет закона непреложнее, чем второй закон термодинамики — понятие, что мера беспорядка — энтропия, либо остаётся неизменной, либо увеличивается.

«Если кто-то указывает, что ваша любимая теория Вселенной не согласуется с уравнениями Максвелла, тем хуже для уравнений Максвелла», — писал британский астрофизик Артур Эддингтон в своей книге 1928 года «Относительность и кванты». — Если окажется, что ваша теория противоречит результатам наблюдений, — что ж, экспериментаторы иногда ошибаются. А если второму закону термодинамики, то не буду обнадёживать: вам остаётся только рухнуть в глубочайшем уничижении».

Нарушений этого закона никогда не наблюдалось и не ожидается. Но кое-что в нём беспокоит физиков. Некоторые учёные не уверены в его правильном понимании нами или в прочности его оснований. Он обычно считается сугубо вероятностным законом: предусматривается, что у любого процесса есть наиболее вероятный результат (и на самом деле неизбежный, если учесть числа, которыми он оперирует). Учёным нужны не просто описания того, что, вероятно, произойдёт.

«Нам нужно, чтобы законы физики были точными», — говорит об этом физик Кьяра Марлетто из Оксфордского университета.

Можно ли второй закон свести к чему-то большему, чем просто описание вероятностей?

Похоже, именно это сделали в ряде независимых групп учёных. Возможно, они сплели второй закон из фундаментальных принципов квантовой механики и, как предполагается, на самом глубоком уровне встроили в них направленность и необратимость. Согласно этому подходу, второй закон возникает не из-за классических вероятностей, а из-за квантовых явлений, таких как запутанность. Это обусловлено способами обмена информацией в квантовых системах и основополагающими квантовыми принципами, через которые определяется, что может происходить, а что — нет. В связи с этим увеличение энтропии — не просто самый вероятный результат изменения, а логическое следствие самого фундаментального из известных нам ресурсов — квантового ресурса информации.

Квантовая неизбежность

Термодинамика зародилась в начале XIX века для описания теплового потока и работы. Ощущалась острая необходимость в такой теории, ведь паровая энергия была двигателем промышленной революции. Инженерам хотелось сделать свои машины как можно более эффективными. Термодинамика не сильно способствовала созданию лучших двигателей и механизмов, но стала одним из столпов современной физики, где задаются критерии для регулирования всех процессов изменений.

В классической термодинамике несколько законов, самые фундаментальные из которых — первый и второй. Согласно первому закону, энергия всегда сохраняется. Согласно второму, тело всегда переходит от горячего состояния к холодному. Чаще это выражается через энтропию, которая в любом процессе изменений должна в целом увеличиваться. Энтропия равна беспорядку, но это не совсем точно. Австрийский физик Людвиг Больцман сформулировал её более строго как величину, связанную с общим числом микросостояний системы. То есть тем, сколькими эквивалентными способами можно расположить частицы этой системы.

Похоже, во втором законе показывается, почему вообще происходят изменения. На уровне отдельных частиц классические законы движения могут быть обращены вспять в смысле времени. Но из второго закона следует, что изменения должны происходить так, чтобы увеличивать энтропию. Общепризнано, что эта направленность подразумевает необходимость «стрелы времени». С этой точки зрения время как будто течёт от прошлого к будущему, потому что Вселенная началась — по причинам, относительно которых нет полного понимания или общего мнения, — в состоянии с низкой энтропией и движется к состоянию с возрастающей энтропией. Из этого следует, что в итоге тепло будет распространяться совершенно равномерно и движущей силы для дальнейших изменений не будет. Эту удручающую перспективу учёные середины XIX века назвали тепловой смертью Вселенной.

Похоже, направленность энтропии объясняется в микроскопическом описании энтропии Больцмана. Системы из множества частиц, менее упорядоченные и с бóльшей энтропией, значительно превосходят числом упорядоченные состояния с меньшей энтропией, поэтому вероятность их появления в результате молекулярных взаимодействий гораздо выше. В таком случае второй закон — лишь статистика, закон больших чисел. С этой точки зрения, нет фундаментальных причин невозможности уменьшения энтропии. Почему, например, все молекулы воздуха в комнате не могут случайно собраться в одном углу? Это крайне маловероятно.

Однако вопросы в этой вероятностной статистической физике остаются. Мы направляемся к наиболее вероятным микросостояниям во всём ансамбле возможных состояний и вынуждены довольствоваться усреднением по этому ансамблю.

Но законы классической физики детерминированы — здесь для любой отправной точки допусти́м только один результат. Откуда же тогда вообще взяться этому гипотетическому ансамблю состояний?

Дэвид Дойч, физик из Оксфорда, несколько лет пытается обойти эту дилемму, он разрабатывает теорию (как он выразился) «мира, в котором вероятность и случайность в физических процессах полностью отсутствуют». Вместе с ним над этим проектом «теория конструктора» сейчас работает Марлетто. Цель проекта — установить, какие процессы скорее могут происходить, а какие — нет, какие возможны, а какие — полностью исключены.