Udowodnili spostrzeżenie Boltzmanna

W 1876 roku Ludwig Boltzmann zauważył, że z jego równań opisujących przepływ energii cieplnej w gazach wynika pewna niezwykła konsekwencja. Zwykle zderzające się ze sobą cząstki gazu osiągają w końcu równowagę termiczną, czyli stan, w którym nie dochodzi do przepływu energii cieplnej netto. Boltzmann zauważył jednak, że z tych samych równań wynika, iż w gazie umieszczonym w pewnej szczególnej przestrzeni trójwymiarowej całość pozostaje w ciągłym stanie nierównowagi, czyli ciągle dochodzi w nim do przepływu ciepła netto.

Teraz fizycy z University of Colorado w Boulder i Narodowego Instytutu Standardów i Technologii przeprowadzili pierwszy w historii eksperyment, w którym potwierdzili teorię Boltzmanna.

To jedno z wielu interesujących spostrzeżeń Bolzmanna. Próbował on wyjaśnić, dlaczego zawsze mamy do czynienia z 'rozpadem'. Na przykład wahadło zawsze w końcu się zatrzyma, a w tym czasie miejsce, w którym jest zamocowane, będzie się nieco rozgrzewało wskutek tarcia. Bolzmann zastanawiał się, dlaczego nigdy nie widzimy zjawiska odwrotnego - stopniowego ochładzania się miejsca mocowania i coraz mocnej poruszającego się wahadła. Zauważył, że z jego równań wynika, iż nie zawsze musimy mieć do czynienia z 'rozpadem', problem w tym, że nie potrafił wykazać tego eksperymentalnie. Przeciwnicy Bolzmanna twierdzili, że te anomalie wynikające z jego równań są dowodem na ich fałszywość. Jednak równania są prawidłowe. Po prostu wtedy nie było możliwości przeprowadzenia odpowiednich eksperymentów. Teraz możemy je przeprowadzić - powiedział Eric Cornell z University of Colorado.

Eksperyment można było przeprowadzić dopiero dzięki użyciu współczesnej techniki, gdyż zakłada on wygenerowanie gazu i umieszczenie go w przestrzeni w bardzo szczególny sposób. Po pierwsze, gaz musi być ułożony w idealną sferę, po drugie, musi znajdować się w idealnie harmonicznej pułapce, co pozwala na zmniejszenie wpływu tarcia.

Naukowcy przygotowali nowy rodzaj pułapki magnetycznej z dodatkowymi cewkami, dzięki którym możliwe było niezależne dostrojenie różnych parametrów eksperymentu. Uwięzili w niej zimną chmurę atomów rubidu tak, że gaz zachowuje się jakby był w trybie 'magnetycznego monopolu'. Wówczas temperatura i wielkość chmury gazu oscylują ku przeciwnym wartościom - gdy jedno się zwiększa, drugie się zmniejsza. Uczeni wyjaśniają, że jest to odpowiednik wymiany pomiędzy energią kinetyczną a potencjalną, jaka zachodzi w wahadle. Tak, jak wahadło w końcu uzyskuje stan równowagi i przestaje się poruczać tak typowy gaz w określonej przestrzeni uzyskuje taki stan, gdy ciepło przestaje przepływać. W obu przypadkach równowaga zostaje osiągnięta dzięki wzrostowi entropii, czyli zmniejszeniu amplitudy oscylacji.

Jednak w opisanym eksperymencie wzrostowi entropii zapobiega specyficzny sposób organizacji gazu i interakcji pomiędzy atomami. Prowadzący eksperyment wykazali, że w gazie nie dochodzi do wspomnianego na wstępie 'rozpadu'. Ten niewielki, który zarejestrowali, jest prawdopodobnie efektem niedoskonałości pułapki magnetycznej. Żaden system fizycy nie może bowiem zapewnić stworzenia idealnie izotropowej i harmonicznej przestrzeni.

Uczeni nie tylko udowodnili spostrzeżenia Boltzmanna. Uzyskane przez nich wyniki mogą pomóc nam w zrozumieniu innych systemów pozostających w nierównowadze, w tym samego życia.

Fizyka nierównowagi, która zajmuje się badaniem tego, co jest dalekie od równowagi cieplnej, jest obecnie przedmiotem intensywnych badań. Klasycznym przykładem systemu znajdującego się w stanie nierównowagi jest życie. Jak się ono pojawiło? Dlaczego trwa? Nasz eksperyment jest być może zbyt klasyczny i nie do końca odpowiada większości współczesnych badań, ale to wspaniały przykład szerszego problemu, w ramach którego zastanawiamy się, dlaczego niektóre systemy nigdy nie osiągają równowagi, mówi Cornell.

Ludwig Boltzmann równanie równowaga nierównowaga