Может ли квантовая теория подвести нас к нарушению второго закона термодинамики?

Исследователи из Nagoya University в Японии и Словацкой академии наук сообщили о новых способах понимания взаимодействия квантовой теории и термодинамики. Они опубликовали работу в журнале "npj Quantum Information", где показали, что квантовая теория формально не исключает нарушение второго закона термодинамики, однако процессы можно сконструировать так, чтобы этот фундаментальный закон оставался в силе. Этот факт раскрывает идею «гармоничного сосуществования» двух логически независимых областей физики.
Может ли квантовая теория подвести нас к нарушению второго закона термодинамики?
Изображение носит иллюстративный характер

В центре исследования оказался парадокс «демона Максвелла», предложенный Джеймсом Клерком Максвеллом в 1867 году. Демон, незатратно сортируя быстрые и медленные молекулы в газе, кажется способным самопроизвольно снижать энтропию. С годами появлялись аргументы, что стирание памяти демона требует затраты работы, тем самым сохраняется принцип: «энтропия не убывает», а энергия не может извлекаться из одной термостатной ванны без расхода ресурсов. Тем не менее дискуссии о связи знания наблюдателя и запрета на такое нарушение не утихали.

Группа разработала математическую модель «демонического двигателя» на основе теории квантовых инструментов, описывающей максимально общий вид квантовых измерений. Модель включает три стадии: измерение системы демоном, извлечение механической работы с помощью тепловой среды и стирание памяти демона. При расчетах они использовали энтропию фон Неймана и показатель информационного выигрыша Грёневольда–Одзава.

Полученные уравнения показали, что при некоторых условиях работа, извлекаемая демоном, может превышать сумму затраченной работы, формально нарушая второй закон термодинамики. «Наши результаты продемонстрировали, что при определенных условиях, допустимых квантовой теорией, даже учитывая все затраты, извлекаемая работа может превосходить затраты», — отметил Шинтаро Минагава. Он добавил: «Это бросает вызов представлению о том, что квантовая теория изначально защищена от "демонов", — существуют скрытые области, где демон Максвелла все еще способен творить чудеса».

Другой участник проекта, Хамед Мохаммади, заявил: «Наша работа показывает, что, несмотря на такие уязвимости, любой квантовый процесс можно спроектировать так, чтобы он подчинялся второму закону. Иными словами, квантовая теория потенциально может его нарушать, но фактически не обязана этого делать». Он подчеркнул, что это удивительно «примиряет квантовую механику и термодинамику: они независимы, но никогда не вступают в непримиримый конфликт».

Франческо Бушеми добавил интригующую деталь: «Мы показываем, что квантовая теория логически независима от второго закона термодинамики, поскольку она просто "не знакома" с ним». При этом «любой квантовый процесс можно реализовать без нарушения этого закона, если добавить достаточно дополнительных подсистем и восстановить термодинамическое равновесие». Таким образом, второй закон не накладывает жестких ограничений на измерения, разрешенные квантовой теорией, но всегда остается возможность сохранить глобальный баланс.

Практические последствия касаются проектирования квантовых вычислительных устройств и наномашин, где важно понимать предельные условия, заданные термодинамикой. Исследование иллюстрирует, что инновационные квантовые технологии могут расширять границы фундаментальных законов, но при правильном подходе продолжат соблюдать один из самых прочных столпов физики — закон неубывающей энтропии.


Новое на сайте

19209Как беспрецедентный бунт чернокожих женщин в суде Бостона разрушил планы рабовладельцев? 19208Как новые поколения троянов удаленного доступа захватывают системы ради кибершпионажа и... 19207Почему мировые киберпреступники захватили рекламные сети, и как Meta вместе с властями... 19206Как фальшивый пакет StripeApi.Net в NuGet Gallery незаметно похищал финансовые API-токены... 19205Зачем неизвестная группировка UAT-10027 внедряет бэкдор Dohdoor в системы образования и... 19204Ритуальный предсвадебный плач как форма протеста в традиционном Китае 19203Невидимая угроза в оперативной памяти: масштабная атака северокорейских хакеров на... 19202Как уязвимость нулевого дня в Cisco SD-WAN позволяет хакерам незаметно захватывать... 19201Как Google разрушил глобальную шпионскую сеть UNC2814, охватившую правительства 70 стран... 19200Как простое открытие репозитория в Claude Code позволяет хакерам получить полный контроль... 19199Зачем киберсиндикат SLH платит женщинам до 1000 долларов за один телефонный звонок в... 19198Устранение слепых зон SOC: переход к доказательной сортировке угроз для защиты бизнеса 19197Скрытые бэкдоры в цепочках поставок по: атаки через вредоносные пакеты NuGet и npm 19196Как абсолютная самоотдача, отказ от эго и физиологическое переосмысление тревоги помогают... 19195Отказ от стратегии гладиаторов как главный драйвер экспоненциального роста корпораций
Ссылка