Второй закон термодинамики ("2LOT" (от английского "Second Law of Thermodynamics") утверждает, что в изолированной (закрытой) системе энтропия — мера беспорядка — никогда не уменьшается. Этот закон лежит в основе понимания многих природных процессов, от работы тепловых двигателей до объяснения необратимости времени. Однако в квантовой механике, где законы классической физики часто перестают работать, применимость второго закона термодинамики долгое время оставалась под вопросом.

Квантовые системы, такие как отдельные атомы или элементарные частицы, подчиняются принципам суперпозиции и квантовой запутанности, которые делают их поведение значительно более сложным и менее интуитивным, чем в классической физике. В частности, в квантовом мире система может находиться в нескольких состояниях одновременно, а измерение системы может кардинально изменить её состояние. Эти особенности заставляли учёных сомневаться в том, что классические термодинамические законы, включая второй закон, могут быть напрямую применены к квантовым системам. Одной из главных проблем, с которой сталкивались исследователи, было кажущееся противоречие между обратимостью квантовой механики и необратимостью термодинамики. В квантовой механике уравнения движения, такие как уравнение Шрёдингера, обратимы во времени: если система эволюционирует из состояния A в состояние B, то теоретически она может вернуться из B в A. Однако 2LOT утверждает, что процессы в изолированных системах необратимы: энтропия всегда возрастает, и система не может самопроизвольно вернуться в исходное состояние.

Данное противоречие до недавнего времени оставалось неразрешённым, вызывая споры среди физиков. Некоторые учёные предполагали, что 2LOT может быть нарушен в квантовых системах. Однако новые исследования показывают, что это не так.

Группа исследователей из Венского технического университета под руководством профессора Маркуса Хуберта (Markus Huber) провела серию компьютерных симуляций, чтобы изучить поведение энтропии в закрытых квантовых системах. Используя современные методы квантовой теории информации и численного моделирования, учёные смогли показать, что энтропия в таких системах действительно возрастает, что подтверждает применимость 2LOT даже в квантовом мире.

Ключевым аспектом исследования стало моделирование квантовых систем, которые изначально находились в состоянии с низкой энтропией. Учёные наблюдали, как эти системы эволюционируют во времени, и обнаружили, что энтропия всегда стремится к увеличению, даже в условиях, когда квантовые эффекты, такие как суперпозиция и запутанность, играют значительную роль.

Исследователи объяснили, что рост энтропии в квантовых системах связан с процессом декогеренции. Декогеренция — это явление, при котором квантовая система теряет свои когерентные свойства из-за взаимодействия с окружающей средой. В результате система переходит из чистого квантового состояния в смешанное, что приводит к увеличению энтропии.

Даже в закрытых системах, где нет прямого взаимодействия с внешней средой, внутренние взаимодействия между частицами системы могут вызывать декогеренцию. Это приводит к тому, что система стремится к термодинамическому равновесию, где энтропия максимальна. Таким образом, 2LOT оказывается естественным следствием квантовой механики, а не противоречием ей.

Подтверждение применимости 2LOT в квантовом мире имеет огромное значение как для фундаментальной науки, так и для практических приложений. Во-первых, это открытие укрепляет наше понимание универсальности термодинамических законов, показывая, что они действуют на всех уровнях — от макроскопических объектов до отдельных атомов и частиц. Во-вторых, это исследование может оказать значительное влияние на развитие квантовых технологий, таких как квантовые компьютеры. Понимание того, как энтропия ведёт себя в квантовых системах, может помочь в разработке более эффективных методов управления квантовой информацией и предотвращения потерь данных из-за декогеренции.