Можно ли нарушить второй закон термодинамики: демон Максвелла
Если разделить сосуд с газом на две части непроницаемой перегородкой с дверцей, управляемой неким демоном, который пропускает налево лишь самые быстрые молекулы, а направо – самые медленные, то со временем левая половина контейнера заполнится горячим газом, а правая – холодным. Это означает, что демон снизил энтропию газа, вовсе не расходуя энергии и не увеличивая энтропии окружающей среды. Такой процесс запрещен вторым законом термодинамики.
Этот парадокс давно разгадан. В 1929 году приват-доцент Берлинского университета Лео Сциллард (в будущем один из виднейших участников Манхеттенского проекта) показал, что даже идеально действующий демон увеличивает собственную энтропию всякий раз, как получает информацию о движении молекулы. Энтропия всей системы остается неизменной, ибо демон и газ образуют единое целое. Судьба порой путешествует странными путями. Лео Сцилларду на склоне лет довелось лечиться у американского кардиолога Алвина Рейзена. У того был маленький сын Марк, который, когда вырос, стал физиком, профессором Техасского университета в Остине. В последние годы он и его коллеги разработали новый метод сверхглубокого охлаждения газов, в котором применяется лазерное устройство... аналогичное по своим действиям демону Максвелла.
Метод Рейзена
Уже несколько десятилетий физики доводят газ до температур в микрокельвины с помощью доплеровского поглощения лазерного излучения. Однако профессор Рейзен объяснил «TechInsider», почему этот метод его не устраивает: «Он хорош, но слишком привередлив. Так можно охладить лишь отдельные вещества, в основном пары щелочных металлов. Наш метод гораздо более универсальный. Он применим для любого газа, атомы или молекулы которого могут находиться в двух долгоживущих метастабильных квантовых состояниях. Существует множество веществ, отвечающих этому требованию».
Метод, разработанный группой Рейзена, заключается в том, что сначала газ охлаждают до нескольких милликельвинов с помощью одного из надежных традиционных способов и запирают в магнитной ловушке, на которую направлены два лазера. Луч одного лазера пересекает полость ловушки в середине, а другой освещает лишь одну половину — допустим, правую.
«Для определенности будем считать, что газ атомарный, — говорит профессор Рейзен. — Назовем одно из возможных состояний его атомов синим, другое — красным. Настроим центральный лазер так, чтобы его излучение отталкивало атомы, пребывающие в красном состоянии. Второй лазер переводит атомы из синего состояния в красное. Будем считать, что сначала все атомы синие. Заполним ими ловушку и включим центральный лазер. Поскольку красных атомов нет, излучение и газ никак не взаимодействуют. Теперь подадим ток в боковой лазер. Каждый атом, который встретится с испущенным им фотоном, перейдет из синего состояния в красное. Если такой "перекрашенный" атом приблизится к центральной плоскости ловушки, его отбросит назад луч первого лазера. В результате в правой зоне будут накапливаться красные атомы, а левая опустеет. Так что наша пара лазеров работает аналогично демону Максвелла. При этом температура газа не меняется, а его давление, естественно, растет».
Холодный газ, горячее излучение
Однако где же эффект охлаждения? «Теперь, — продолжает свое объяснение профессор Рейзен, — будем манипулировать центральным лазером таким образом, чтобы газ медленно заполнил всю полость ловушки. При таком расширении газ охлаждается. Вот, собственно, и все — цель достигнута. Эта теория уже проверена на опыте еще три года назад. Тогда мы провели первый эксперимент — охладили пары рубидия в тысячу раз (от милликельвинов до микрокельвинов). Эту технику мы назвали однофотонным охлаждением, поскольку для перехода между состояниями атому требуется рассеять всего один фотон. А вот доплеровский метод охлаждает газ посредством торможения атомов, для чего требуется много фотонов».
А как же энтропия? «С ней все в порядке, — успокоил нас профессор Рейзен. — Когда газ соберется в правой зоне, его энтропия, естественно, снизится. Однако вспомним, что кванты лазерного излучения при встрече с атомами хаотически рассеиваются во все стороны. При этом растет энтропия излучения, причем этот прирост полностью компенсирует снижение энтропии газа. Так что лазерный демон работает в полном соответствии с теорией Сцилларда. Конечно, и сам Максвелл, и еще несколько поколений физиков не верили в реальную осуществимость столь тонкого манипулирования газовыми частицами. Я и сам лет двадцать назад счел бы это чистой фантастикой. Но наука нередко добивается, казалось бы, невозможных целей — и это как раз такой случай. Думаю, Максвеллу бы наша разработка понравилась».