В 1876 году австрийский Людвиг Больцман сделал из уравнений, описывающих перенос тепла в газах, необычный вывод. Обычно соударяющиеся частицы газа постепенно достигают состояния теплового равновесия, в котором уже невозможен дальнейший перенос тепловой энергии, однако Больцман сделал вывод, что при определенных условиях газы должны оставаться в постоянном неравновесном состоянии, при этом небольшое количество тепла будет постоянно передаваться в системе.
Рисунок из Nature Physics
В новой работе физики из Национального Института Стандартов и Технологий из Университета Колорадо смогли экспериментально получить трехмерное облако газа, в котором не устанавливается тепловое равновесие, а реализуется состояние, предсказанное Больцманом около 140 лет назад. Данная работа основывается на результатах проведенных в 2002 году исследований, которые позволили наблюдать неравновесное состояние для двумерного газа.
Как отмечает один из авторов работы, Эрик Корнелл (Eric Cornell), подтверждения одной из интереснейших идей Больцмана пришлось ждать долго, но все же результаты работы в конечном итоге подтверждают и эту возможность, высказанную теоретически – способность газа существовать в неравновесном состоянии.
Корнелл отмечает, что оппоненты Больцмана, опираясь на экспериментальные исследования, доказывали, что уравнения Больцмана ошибочны, однако следует признать, что его выводы были верны, просто чтобы доказать это, требовалось проводить особые эксперименты в условиях, которые не могли быть созданы современниками ученого. В наши дни условия для таких экспериментов создать реально, и эти эксперименты можно считать данью памяти Больцману, а их результаты – подтверждением его наиболее противоречивых (в то время) предсказаний.
Причина того, что экспериментального доказательства теоретических выкладок Больцмана пришлось ждать столь долго, заключается в сложности получения состояния газа, который бы был локализован в пространстве в соответствии с двумя жесткими условиями – во-первых, газ должен располагаться в рамках идеальной сферы (быть изотропным), а во-вторых – должно соблюдаться его идеальное гармоническое расположение, позволяющее свести к минимуму влияние трения.
Для воплощения в жизнь такой системы исследователи использовали новую магнитную ловушку, оснащенную дополнительными магнитными контурами, которые позволяли независимо настраивать различные параметры. Применяя такое устройство, исследователи поместили в ловушку холодное газовое облако из атомов рубидия, создав условия для того, чтобы газ находился в состоянии «монопольного движения». В таком состоянии температура и размеры облака газа колеблются в противофазе.
Исследователи поясняют, что такое противофазное колебание аналогично колебательному переходу кинетической и потенциальной энергии, происходящему при простом гармоническом колебании качающегося маятника. Точно так же как качающийся маятник рано или поздно достигает состояния равновесия и останавливается, в газе, находящемся в обычных условиях, термодинамическое равновесие останавливается вместе с прекращением переноса тепловой энергии – в обоих случаях установление равновесия происходит благодаря увеличению энтропии.
Однако в экспериментальной установке, созданной для подтверждения законов Больцмана, естественное увеличение энтропии ограничивается специфичностью состояния газа и особенностями взаимодействия между атомами. В качестве доказательства исследователи продемонстрировали, что в режиме монопольного движения газ чрезвычайно длительное время существует в неравновесном состоянии, а то, что в конечном итоге равновесие все же устанавливается, является несовершенством экспериментальной установки, которая не может создать идеальное изотропное и гармоничное состояние газа. Существование неравновесного состояния и подавление теплообмена между частицами газа было подтверждено изучением газового облака под разными углами через очень небольшие промежутки времени с помощью фазоконтрастной микроскопии, которая позволяет наблюдать колебания в газовом облаке.
Помимо подтверждения идей Больцмана результаты нового исследования также могут оказать влияние на понимание состояния других неравновесных систем, включая живые системы.
По материалам Nature Physics
Источник: chemport.ru
