Демон максвелла: наука невозможного

      Комментарии к записи Демон максвелла: наука невозможного отключены

Демон максвелла: наука невозможного

    Как трудится демон В случае если поделить сосуд с газом на две части непроницаемой перегородкой с створкой, управляемой неким демоном, что пропускает налево только самые стремительные молекулы, а направо — самые медленные, то со временем левая добрая половина контейнера заполнится горячим газом, а правая — холодным. Это указывает, что демон снизил энтропию газа, вовсе не расходуя энергии и не увеличивая энтропии внешней среды. Таковой процесс запрещен вторым законом термодинамики.
    Демонология доктора наук Рейзена Хороший демон на страже створки в перегородке сосуда (слева) и схема трехуровневой совокупности в опыте Рейзена (справа). Атомы в магнитно-гравитационной ловушке посредством оптической накачки лазером (в этом случае это и имеется демон) переводятся из состояния B в состояние A (через промежуточное состояние).

Данный парадокс в далеком прошлом разгадан. Во второй половине 20-ых годов XX века приват-доцент Берлинского университета Лео Сциллард (в будущем один из известный участников Манхеттенского проекта) продемонстрировал, что кроме того идеально действующий демон увеличивает собственную энтропию всегда, как приобретает данные о перемещении молекулы. Энтропия всей совокупности остается неизменной, потому что газ и демон образуют единое целое.

Будущее иногда путешествует необычными дорогами. Лео Сцилларду на склоне лет довелось лечиться у американского кардиолога Алвина Рейзена. У того был мелкий сын Марк, что, в то время, когда вырос, стал физиком, доктором наук Техасского университета в Остине.

Сейчас он и его сотрудники создали новый способ сверхглубокого охлаждения газов, в котором используется лазерное устройство подобное по своим действиям демону Максвелла.

Способ Рейзена

Уже много лет физики доводят газ до температур в микрокельвины посредством доплеровского поглощения лазерного излучения. Но доктор наук Рейзен растолковал «Популярной механике», из-за чего данный способ его не устраивает: «Он оптимален, но через чур привередлив. Так возможно охладить только отдельные вещества, по большей части пары щелочных металлов.

Отечественный способ значительно более универсальный. Он применим для любого газа, атомы либо молекулы которого смогут пребывать в двух долгоживущих метастабильных квантовых состояниях. Существует множество веществ, отвечающих этому требованию».

Способ, созданный группой Рейзена, содержится в том, что сперва газ охлаждают до нескольких милликельвинов посредством одного из надежных классических способов и закрывают в магнитной ловушке, на которую направлены два лазера. Луч одного лазера пересекает полость ловушки в середине, а второй освещает только одну половину- допустим, правую.

«Для определенности будем вычислять, что газ атомарный, — говорит доктор наук Рейзен. — Назовем одно из вероятных состояний его атомов синим, второе — красным. Настроим центральный лазер так, дабы его излучение отталкивало атомы, пребывающие в красном состоянии. Второй лазер переводит атомы из светло синий состояния в красное.

Будем вычислять, что сперва все атомы светло синий. Заполним ими ловушку и включим центральный лазер. Потому, что красных атомов нет, газ и излучение никак не взаимодействуют. Сейчас подадим ток в боковой лазер.

Любой атом, что встретится с испущенным им фотоном, перейдет из светло синий состояния в красное. В случае если таковой «перекрашенный» атом приблизится к центральной плоскости ловушки, его отбросит назад луч первого лазера. В следствии в правой территории будут накапливаться красные атомы, а левая опустеет.

Так что отечественная пара лазеров трудится подобно демону Максвелла. Наряду с этим температура газа не изменяется, а его давление, конечно, растет».

Холодный газ, горячее излучение

Но где же эффект охлаждения? «Сейчас, — продолжает собственный объяснение доктор наук Рейзен, — будем манипулировать центральным лазером так, дабы газ медлительно заполнил всю полость ловушки. При таком расширении газ охлаждается. Вот, фактически, и все — цель достигнута. Эта теория уже проверена на опыте уже давно. Тогда мы совершили первый опыт — охладили пары рубидия в тысячу раз (от милликельвинов до микрокельвинов).

Эту технику мы назвали однофотонным охлаждением, потому, что для перехода между состояниями атому требуется рассеять всего один фотон. А вот доплеровский способ охлаждает газ при помощи торможения атомов, для чего требуется большое количество фотонов».

А как же энтропия? «С ней все в порядке, — успокоил нас доктор наук Рейзен. — В то время, когда газ соберется в правой территории, его энтропия, конечно, снизится. Но отыщем в памяти, что кванты лазерного излучения при встрече с атомами хаотически рассеиваются во все стороны. Наряду с этим растет энтропия излучения, причем данный прирост всецело компенсирует понижение энтропии газа.

Так что лазерный демон трудится в полном соответствии с теорией Сцилларда. Само собой разумеется, и сам Максвелл, и еще пара поколений физиков не верили в настоящую осуществимость столь узкого манипулирования газовыми частицами. Я и сам лет двадцать назад счел бы это чистой фантастикой. Но наука часто получает, казалось бы, неосуществимых целей — и это именно таковой случай.

Думаю, Максвеллу бы отечественная разработка понравилась».

Доплеровское охлаждение атомов

Атомы владеют собственной частотой колебаний, и в случае если попасть в резонанс (облучить ядерный ансамбль фотонами соответствующей частоты), любой атом, встретившийся с фотоном, его поглотит. В случае если сделать частоту фотонов чуть ниже резонансной, они будут поглощаться лишь атомами, движущимися навстречу (за счет смещения резонансной частоты благодаря эффекту Доплера). При поглощении фотон передает атому импульс, «охлаждая» его.

Так возможно охладить атомы до температур в десятки милликельвинов. Предстоящее усовершенствование метода, за разработку которого физикам Стивену Чу, Уильяму Филипсу и Клоду Коэн-Таннуджи во второй половине 90-ых годов двадцатого века вручили Нобелевскую премию, предусматривает охлаждение лазерными пучками в неоднородном магнитном поле, что позволяет достигать температур в много микрокельвинов.

Самая идеальная разновидность методики, разрешающая достигнуть десятков а также единиц микрокельвинов — сизифово охлаждение в лазерных пучках. За счет поляризации пучки создают серию стоячих волн, и атомы, проходя через них, теряют энергию, как бы поднимаясь в гору (из этого и наименование).

Статья размещена в издании «Популярная механика» (№104, июнь 2011).

Демон Максвелла


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: