Физики убедились в микроскопическом происхождении стрелы времени

Ученые провели эксперименты по измерению положения и скорости наночастицы в оптической ловушке. Полученные результаты подтверждают несколько статистических утверждений, называемых флуктационными теоремами, которые являются обобщением второго закона термодинамики в случае микромира. Эти выражения связаны с вероятностями прямых и обратных процессов, то есть обосновывают различия между прямым и обратных ходом времени. Статья опубликована в журнале Physical Review Letters.

В окружающем мире множество процессов являются необратимыми: стакан с водой может упасть и разбиться, но собирание его из осколков и «запрыгивание» на стол абсолютно невероятно. Однако в микромире подобной несимметричности нет: при определенных условиях частицы можно заставить двигаться по той же траектории, но в обратном направлении, как будто с обращенным направлением течения времени. Для описания подобных процессов за последние несколько десятилетий физики сформулировали набор флуктационных теорем, которые связывают некоторые термодинамические характеристики систем в статистическом смысле и справедливы даже для неравновесных процессов.

Одним из невозможных для макроскопических тел результатов неравновесных процессов может быть спонтанное уменьшение энтропии. Теоретически этому подвержены такие интересные объекты, как биомолекулы и наномашины. С первого взгляда, такие процессы нарушают второй закон термодинамики о неубывании энтропии в замкнутой системе, однако ученые показали, что они подчиняются другим статистическим соотношения, обобщающим второй закон. Например, дифференциальной флуктационной теореме, связывающей вероятность прямого процесса с обратным.

Группа физиков из американского Университета Пердью под руководством Тунцана Ли реализовала экспериментальную проверку дифференциальной флуктационной теоремы при произвольных начальных условиях. Они заставили левитировать наноразмерную частицу двуокиси кремния в лазерном луче и постоянно отслеживали ее скорость и положение. Также использовался второй лазер, который на кратковременно прилагал силу на частицу, из-за чего она начинала двигаться в оптической ловушке. Полученные данные по вероятности процессов движения в одну сторону и обратного к нему подтвердили справедливость дифференциальной флуктационной теоремы и других соотношений. В будущем авторы хотят провести подобный эксперимент при близкой к абсолютному нулю температуре, что позволит исследовать влияния квантовых явлений на термодинамику.