Підтвердження гіпотези Больцмана про те, що деякі системи в певних умовах ніколи не досягнуть стану теплової рівноваги

рупи американських фізиків з Колорадського університету в Боулдері поставила експеримент, що підтверджує висунуту 140 років тому Людвігом Больцманом гіпотезу про те, що деякі системи в певних умовах ніколи не досягнуть стану теплової рівноваги. Автори досліджували охолоджений до низької температури атомний газ 87Rb, замкнений у магнітній пастці, і з’ясували, що подібна система дійсно не досягає теплового рівноваги. Результати роботи опубліковані в Nature Physics.

Зазвичай вважається, що ізольована система, надана сама собі, прагне до збільшення ентропії і повинна досягти стану теплової рівноваги, при якому в системі не буде спостерігатися ніяких теплових потоків. Однак, при розгляді рішень кінетичних рівнянь, що описують теплові потоки в газах, Людвіг Больцман виявив, що теоретично можливе існування системи, яка ніколи не досягне теплового рівноваги.

Кінетичне рівняння Больцмана описує еволюцію функції розподілу щільності імовірності в часі. Однак, існують певні потенціали (частини польового доданку), для яких рішенням рівняння є нерівноважний розподіл (тобто залежне від часу). У фізиці твердого тіла багато кінетичні явища (ефект Холла, електро – і теплопровідність) описуються рівноважним рішенням кінетичного рівняння Больцмана.

Прикладом такого «спеціального» потенціалу є тривимірний ізотропний гармонійний потенціал з рішенням у вигляді сферично симетричної монопольної коливальної моди. При таких коливаннях форма залишається сферичної, а обсяг осциллирует щодо середнього рівноважного положення (тому таку коливальну моду ще іноді називають дихальної). Інакше кажучи, під дією певного потенціалу, в газі відбуваються коливання розміру газової хмари і температури, причому ці величини коливаються у протифазі. Автори порівнюють ці осциляції з перетворенням кінетичної енергії в потенційну при гармонічних коливаннях. У разі дихальної моди коливання носять незатухающий характер, оскільки ентропія системи не зростає внаслідок специфічного характеру взаємодії між атомами.

Підтвердження гіпотези зайняло 140 років із-за складності постановки експерименту. По-перше, для проведення експерименту газ повинен бути ідеально ізотропним, а по-друге, повинен розташовуватися в ідеальній гармонійної камері. Для реалізації цієї системи автори використовували магнітну пастку, що складається з безлічі магнітних котушок. Подібна конструкція дозволяє незалежно змінювати безліч параметрів поля, завдяки чому автори зуміли домогтися порушення монопольної коливальної моди в охолодженому атомарному газі з атомів рубідію.

Вчені виміряли загасання в системі і виявили, що вони набагато слабкіше, ніж в аналогічній системі, в якій порушено квадрупольные коливальні моди (при яких атоми змінюють свою форму при осцилляциях на овальну). Сама наявність загасання в теоретично незгасаючої системі автори пояснили неідеальної реальної фізичної установки.

Анохін Євген

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *