Вечный двигатель большой науки

Вечный двигатель большой науки

В детстве я этой книжкой просто зачитывался. Она была в мягком переплете, на обложке нарисован робот и чертеж огромной пушки, а рассказывалось в ней об удивительных вещах: о самодвижущемся тротуаре, о подземном поезде, который мог бы связать Москву и Ленинград, о невесомости, о том, как из обычного человека сделать человека-невидимку и почему он будет обречен на слепоту, как работают и почему не работают вечные двигатели. Многое из того, что там было написано, я не понимал, но это не мешало восхищаться почти неограниченными возможностями человека и чудесами, которые может творить природа. Книжка, как хорошая закваска, пробуждала воображение, которое начинало бурлить и выплескиваться наружу в виде детских рисунков на футуристические темы, примитивных чертежей и еще более примитивных поделок.

Книжка называлась «Занимательная физика», а автором был некий Яков Исидорович Перельман. Уже позже я с не меньшим восторгом прочитал другие его «занимательные» шедевры: «Занимательную математику», «Занимательную геометрию», «Занимательную астрономию». Каюсь, лет до 40 считал Якова Перельмана вполне современным автором, в крайнем случае 60–70-х годов прошлого века, настолько актуальным было все, о чем он писал. И только в конце 1990-х я с изумлением обнаружил, что Яков Исидорович родился в 1882 году, а «Занимательная физика», его первая «занимашка», была написана аж в 1913-м.

Именно так, в нынешнем июле исполняется 105 лет этому научно-популярному шедевру, который поджег фитиль научной фантазии многих нынешних профессоров, докторов наук и академиков. Который, кстати говоря, переиздается до сих пор. И не только переиздается, но и довольно успешно продается. Притом что конкуренция у него на полках книжных магазинов достаточно мощная. Ибо, казалось бы, уже умершее дело популяризации науки начинает возрождаться.

Хотя еще 10 лет назад в это было сложно поверить. Тогда, в 2008-м, закрылся первый российский инфографический научно-популярный журнал «Всё ясно», а через несколько лет — его преемник «Идея Икс». Недолго прожили на российском рынке «Иллюстрированная наука», «Фокус» и «Детали мира». Чуть было не закрылись «В мире науки» и «Вокруг света», прекратил свое существование главный российский научно-популярный портал «Мембрана». Всё говорило о том, что о широкой популяризации науки можно забыть. Но, как оказалось, слухи о ее смерти сильно преувеличены.

По всей видимости, именно тогда, в конце первого десятилетия XXI века, власти вдруг поняли: для того, чтобы страна стала сильной, она должна иметь мощную науку. А для того, чтобы наука была мощной, в ней должно работать много молодых, энергичных и талантливых ученых. А чтобы этих ученых получить, надо убедить лучших выпускников школ поступать в вузы не только на экономические и юридические, но и на физические, химические, биологические и прочие именно научные факультеты. Для этого нужно «заразить» будущих студентов наукой еще в школе или даже до нее. Рубль, вложенный сегодня в популяризацию науки, в стратегической перспективе дает самые высокие дивиденды. Ведь разве можно оценить, чего стоили СССР умы Курчатова, Королева, Келдыша, Йоффе, Капицы, Ландау, Гинзбурга, Алферова, Александрова, Харитона и других им бесподобных?

В 2014 году был запущен журнал «Кот Шредингера». Эксперимент оказался удачным: издание оказалось скорее живым, чем мертвым. Сейчас «Кот» уже достиг сумасшедшего по нынешним временам тиража в 50 тыс. экземпляров. Журнал существует в том числе на гранты от государства, а также финансируется из бюджета ежегодного фестиваля науки NAUKA 0+, также стремительно набирающего популярность. Похоже, с него возрождение и началось. Это маленькое мероприятие, проходившее изначально на площадке МГУ, получило статус всероссийского в 2011 году. Сегодня это масштабный форум, проходящий не только в Москве, но и во многих других городах России. На по-настоящему увлекательное шоу собираются толпы как совсем юных, так и вполне зрелых «болельщиков» за сборную России по науке.

Далее в Сочи, сразу после зимней Олимпиады-2014, открылся круглогодичный образовательный центр «Сириус». Своеобразный «Артек» для вундеркиндов, в который юные таланты съезжаются со всей России. Сложно передать, как это здорово, когда видишь детей, у которых глазки горят. Детей паяющих, собирающих, вычисляющих, придумывающих и мечтающих.

Конечно, не всё в этом деле пока еще так хорошо, как хотелось бы. Хотелось бы передачу на центральном телеканале, как легендарное «Очевидное — Невероятное». Только не после полуночи, а в прайм-тайм. Напомню, в СССР передача выходила по субботам в 18:00.

Хотелось бы перед голливудскими фильмами в кинотеатрах — киножурнал «Хочу всё знать!». Хотелось бы увидеть в киосках почти стершиеся из памяти (хотя до сих пор печатающиеся) «Науку и жизнь», «Технику — молодежи» и «Моделист-конструктор». Только по цене, за которую их мог бы купить обычный школьник, сэкономивший деньги на паре завтраков.

Да многого бы еще хотелось, но главное — чтобы дело, начатое 105 лет назад гродненским «ученым-лесоводом 1-го разряда» Яковом Перельманом, продолжало развиваться, заставляя сегодняшних мальчишек и девчонок грезить наукой, мечтать о науке, искать науку и стремиться в науку. Знаете, у самых точных ученых, математиков, есть такое понятие: «необходимое и достаточное условие». Популяризацию науки нельзя назвать условием, достаточным для процветания страны, но то, что она является условием необходимым, не подлежит сомнению. Ибо нет будущего у страны, дети которой не думают над тем, как заставить вечный двигатель вечно работать. Что и требовалось доказать.

Автор — обозреватель журнала «В мире науки»

Мнение автора может не совпадать с позицией редакции

Чем закончились попытки создать вечный двигатель

300 лет назад саксонский инженер Иоганн Бесслер, также известный как Орфиреус​, представил проект вечного двигателя. После его смерти была доказана невозможность таких механизмов, однако ученые в разное время предлагали свои варианты самодвижущихся конструкций. Самые необычные модели — в обзоре РБК.

12 ноября 1717 года саксонский врач и инженер Иоганн Бесслер, также известный как Орфиреус, ​представил проект вечного двигателя. Конструкция представляла собой полое самодвижущееся колесо с системой противовесов диаметром около четырех метров. Модель прошла большое количество тестов и была способна работать на протяжении длительных промежутков времени — в рамках официального теста колесо вращалось в закрытой комнате в течение 54 дней.

Устройство своего изобретения инженер держал в тайне, предлагая раскрыть ее за внушительное денежное вознаграждение. Бесслера неоднократно обвиняли в мошенничестве, но сам он так и не раскрыл секрет своего изобретения, а через несколько лет и вовсе его уничтожил. Уже после смерти инженера была доказана невозможность создания вечного двигателя.

Один из первых проектов вечного двигателя создан в XII веке — индийский математик и астроном Бхаскара II создал колесо с прикрепленными к нему сосудами, заполненными ртутью. Именно с этого момента и на протяжении столетий идея создания вечного двигателя ассоциировалась с колесом. Чертежи таких устройств оставил, например, Леонардо да Винчи, который, однако, к самой идее относился скептически.

Бурный рост интереса к созданию вечного двигателя со стороны ученых и натуралистов возник в XVII–XVIII веках. В это время появлялись новые модели, одной из которых стала концепция самозаполняющейся чаши английского ученого Роберта Бойля. Его идея, однако, противоречит законам физики.

В середине XVIII века британский часовщик Джеймс Кокс изобрел напольные часы вечного движения. В качестве движущей силы служила ртуть — под влиянием атмосферного давления она перемещалась из стеклянного сосуда в стеклянную трубку. Сосуд и трубки были подвешены на цепях и уравновешены противовесами. В устройстве использовалось около 68 кг ртути, а сам изобретатель называл их настоящим вечным двигателем. Сейчас изобретение хранится в лондонском Музее Виктории и Альберта (уже без ртути).

В первой половине XIX века английский изобретатель и член парламента Уильям Конгрив разработал свою систему вечного двигателя, работающую на основе капиллярного эффекта в губках. По мысли Конгрива, движение в системе должно было возникать из-за разницы в весе сухих и мокрых губок.

Во второй половине XIX века американец Джон Роберт Килли заявил, что ему удалось сконструировать принципиально новый механизм, который приводится в действие звуковыми вибрациями на основе энергии эфира. Его изобретением заинтересовалась Клара Блумфилд Мур, вложившая в разработку проекта около $100 тыс. Она также выплачивала «изобретателю» от $250 до $300 ежемесячно. После смерти Килли выяснилось, что машина приводилась в действие с помощью резервуара сжатого воздуха, тщательно спрятанного под потолком.

В XX веке созданием вечного двигателя занимался австралийский изобретатель Дэвид Юнайпон. Ему удалось создать проект вертолета, работающего по принципу бумеранга, однако его работы по вечному двигателю успехом не увенчались. Впрочем, в процессе работы ему удалось найти конструктивные решения для некоторых своих изобретений.

Сейчас изображение Юнайпона можно увидеть на банкноте в 50 австралийских долларов. Известный австралийский художник и поэт Норман Линдси рассказывал, что однажды спросил Юнайпона, чем тот планирует заняться, на что он ответил, что намерен решить проблему вечного движения, в ответ на что Линдси рассмеялся. «Я знаю, что это невозможно, но каким триумфом это будет для моего народа, если меня ждет успех», — сказал изобретатель, происходивший из коренного австралийского племени нгарринджери.

​В мае 2017 года стало известно, что российские ученые из МФТИ нашли способ создать квантовое устройство, нарушающее второе начало термодинамики (которое оспаривает возможность создания вечного двигателя) и обладающее КПД, фактически равным 100%. Сейчас ученые под руководством заведующего Лабораторией физики квантовых информационных технологий МФТИ Гордея Лесовика занимаются воплощением этой идеи на практике.

Вечный двигатель рядом

Для начала коротко и по возможности доступно объяснимся в терминах-понятиях.

Двухкомпонентная — значит такая, где традиционные АЭС с реакторами на тепловых нейтронах не конкурируют с реакторными технологиями на быстрых нейтронах (инновационными и пока что единичными), а завязаны с ними в одну экономическую и, главное, производственно-технологическую цепочку.

А новая технологическая платформа ядерной энергетики предусматривает помимо такой синергии между разными типами атомной генерации еще и новые подходы в организации ядерного топливного цикла: уже сегодня-завтра — сбалансированного, а в перспективе — практически замкнутого. И, разумеется, новые виды топлива (МОКС, РЕМИКС, СНУП), новые способы производства и обращения с ним.

Первое представление о таком, в идеале — почти безотходном, круговороте делящихся материалов и технологических переделах дает публикуемая вместе с этой статьей инфографика. А поводом для выбора самой темы можно считать начавшееся в городе Северске Томской области строительство инновационного реактора, а точнее, опытно-демонстрационного энергоблока БРЕСТ-ОД-300 на быстрых нейтронах со свинцовым теплоносителем. На одной площадке с ним будут возведены и уже возводятся модуль переработки облученного ядерного топлива (ОЯТ) и здесь же — модуль по фабрикации/рефабрикации топлива для новых загрузок в реактор с использованием переработанного ОЯТ. То есть реализуется на практике, на одной пристанционной площадке мини-модель одной из возможных схем замыкания ядерного топливного цикла.

По горячим следам мы рассказали об этом в недавнем репортаже «Мировой «Прорыв» в Сибири» («РГ» — 08.06.2021). Сегодня в понимании непростых технологических вопросов, организационных подходов и новых терминов нам помогут ведущие специалисты и руководители «Росатома», его топливной компании «ТВЭЛ», проектного направления «Прорыв» и их зарубежные коллеги.

— Я вижу три основных нововведения в реакторе БРЕСТ и проекте «Прорыв», — откликнулся на событие в Северске руководитель секции развития ядерно-энергетических технологий МАГАТЭ Стефано Монти. — Первое — применение свинца для охлаждения реактора на быстрых нейтронах. Годами многие страны искали оптимальные конструктивные решения для реактора на быстрых нейтронах со свинцовым теплоносителем. Теперь мы сможем увидеть действующий энергоблок…

Свинцовые теплоносители, полагает господин Монти, имеют ряд преимуществ. В отличие от натрия они не вступают в химическую реакцию с воздухом и водой, что безопаснее. Усовершенствованный реактор и весь энергоблок на его основе компактнее. Он становится экономически более конкурентным по сравнению с другими типами АЭС и другими источниками чистой энергии.

— Второй важнейший аспект — использование смешанного нитридного уран-плутониевого топлива. Нитриды обладают очень высокой плотностью, что является преимуществом при использовании топлива и обеспечивает высокую теплопроводимость, — акцентировал важные детали эксперт из Вены. — Третьим преимуществом, а возможно, и самым актуальным нововведением этого проекта является даже не сам реактор, а процесс замкнутого топливного цикла, в рамках которого он функционирует. Все объекты находятся на одной сравнительно небольшой площадке.

По словам Стефано Монти, это очень важное преимущество, так как исключается необходимость вывоза отработавшего топлива за пределы атомной станции. А еще очень важный довод в отношении приемлемости ядерной энергетики, особенно когда решается вопрос о размещении новых или расширении уже существующих АЭС.

Когда реактор функционирует в замкнутом топливном цикле, отработавшее топливо, ранее загруженное для генерации энергии, после выгрузки подвергается химической обработке и переработке, причем не один и не два, а множество раз. То есть в случае с реактором на быстрых нейтронах можно получать максимальное количество энергии из условной единицы топлива, многократно вовлекаемого в работу.

— Мы практически приравниваем атомную энергию к возобновляемой, что соответствует идеям и принципам устойчивого развития, — заключает представитель МАГАТЭ.

Такую оценку разделяет и Наталья Никипелова, президент российской топливной компании «ТВЭЛ».

— Технология рециклинга, то есть повторной переработки облученного топлива и других вторичных урановых продуктов, позволят создать энергетическую систему, которая практически полностью сама себя обеспечивает ресурсами, — подтверждает глава «ТВЭЛ». — А ядерная энергетика в определенном смысле становится возобновляемой. Уже использованное в реакторе топливо после некоторой выдержки и специальной переработки будет использовано для производства нового и новой загрузки в реактор…

Такая система-круговорот потребует лишь минимальной дополнительной подпитки ресурсами, уточняет Наталья Никипелова. В качестве добавки при производстве новых партий топлива будут использовать обедненный уран — побочный продукт основного уранового производства.

«Благодаря переработке ядерного топлива бесконечное количество раз ресурсная база атомной энергетики станет практически неисчерпаемой, — это уже заявление главы «Росатома» Алексея Лихачева. — А для будущих поколений снимается проблема накопления ОЯТ».

К этому историческому повороту, по словам главы «Росатома», наука и практика двигались 60 лет. Ведь идеи о замыкании ядерного топливного цикла были высказаны советским физиком Александром Лейпунским и поддержаны академиком Курчатовым вскоре после ввода в строй первой атомной электростанции в Обнинске. Исследования и дискуссии перешли в плоскость ОКР, технических проектов и реального строительства с принятием в России ФЦП «Ядерные энерготехнологии нового поколения на период 2010-2015 годов и на перспективу до 2020 года». Теперь ее эстафету приняла Комплексная программа «Развитие техники, технологий и научных исследований в области использования атомной энергии в Российской Федерации на период до 2024 года».

Нынешний президент НИЦ «Курчатовский институт» Михаил Ковальчук не без оснований сравнил переживаемый момент с началом в России Атомного проекта 2.0 — ориентированного уже исключительно на развитие мирной атомной энергетики и на цели устойчивого развития. Он действительно знаменует начало нового этапа в развитии мировой атомной энергетики и закрепляет за Россией глобальное технологическое лидерство в этой сфере.

— Мы гордимся тем вкладом, который топливный дивизион «Росатома» вносит в реализацию проекта, — говорит Наталья Никипелова. — Ведь создается не только новое поколение реакторов, но и новое поколение технологий ядерного топливного цикла. А это включает разработку топлива, которое обеспечит эффективную работу быстрого реактора со свинцовым теплоносителем и будет полностью состоять из рециклированных ядерных материалов, таких как плутоний и обедненный уран. И, конечно, создание эффективных, безопасных, экономически приемлемых технологий переработки облученного топлива, обращения с отходами, создание для этих целей уникальных производств.

В рамках общего проекта в «ТВЭЛ» разрабатывают принципиально новый вид ядерного топлива — уже упомянутое смешанное нитридное уран-плутониевое (СНУП-топливо) для энергоблока с «быстрым» реактором БРЕСТ. Сейчас его экспериментальная партия проходит испытания в действующем «быстром» энергетическом реакторе БН-600 на Белоярской АЭС. Параллельно продолжается работа по созданию второго поколения твэлов с более высоким уровнем выгорания, которые должны использоваться, когда производство СНУП-топлива перейдет на этап рефабрикации.

— Новый завод-модуль по переработке облученного топлива будет полностью автоматизированным, поскольку фабрикация СНУП-топлива предполагает обращение с плутонием, — поясняет Наталья Никипелова. — По срокам это условно третья очередь в проекте. Что касается модуля фабрикации и рефабрикации, другими словами — производства свежего топлива из переработанного, то на нем уже выполнен основной объем строительных работ, и в 2020 году мы приступили к монтажу уникального технологического оборудования.

А общие контрольные сроки, по словам научного руководителя проектного направления «Прорыв» Евгения Адамова, таковы: реактор БРЕСТ-ОД-300 надо ввести в 2026 году. Но еще ранее, уже к 2023 году, предстоит запустить и освоить модуль фабрикации и рефабрикации. Еще через год планируется начать сооружение модуля переработки облученного топлива.

— Успешная реализация этого проекта позволит нашей стране стать первым в мире носителем атомной технологии, полностью отвечающей принципам устойчивого развития — в экологичности, доступности, эффективности использования ресурсов, — заключает глава «Росатома» Алексей Лихачев. — Мы вновь подтверждаем свою репутацию мирового лидера в области ядерных технологий, предлагая уникальные решения, направленные на улучшение жизни людей.

Цифра

96 процентов от массы отработавшего ядерного топлива составляют материалы, которые можно использовать повторно.

Владислав Корогодин, директор по управлению жизненным циклом ЯТЦ и АЭС госкорпорации «Росатом»:

— Сбалансированный ЯТЦ — это включение АЭС с реакторами на тепловых нейтронах в двухкомпонентную систему с замкнутым ядерным топливным циклом. Наша цель — комплексное продуктовое предложение для мирового рынка. Оно адресовано клиентам, имеющим проблемы с отработавшим ядерным топливом (ОЯТ), и содержит решение этих проблем: рецикл ядерных материалов и отсутствие радиоактивных отходов, требующих глубинного геологического захоронения. Развитие новой технологической платформы российской ядерной энергетики — реакторов на быстрых нейтронах (РБН) с замкнутым ЯТЦ — позволяет решить вопрос с утилизацией высокоактивных долгоживущих РАО путем их сжигания в «быстрых» реакторах. Остающиеся короткоживущие РАО достигают радиационной эквивалентности с природным ураном менее чем за 300 лет, а радиологической эквивалентности — всего за 100 лет. Одновременно с этим регенерированный уран возвращается клиентам в виде нового топлива, снижая потребление природного урана. Выделенный плутоний в двухкомпонентной системе может многократно рециклироваться, кратно снижая расход природного урана. Наша новая технологическая платформа с РБН и технологиями замкнутого ЯТЦ позволяет включить зарубежные легководные реакторы в глобальную двухкомпонентную ядерную энергосистему без ограничений по сырьевой базе, без накопления ОЯТ и долгоживущих РАО.

Мировой «прорыв» в России: мнения и отклики

Алессандро АЛЕМБЕРТИ, ученый-ядерщик, эксперт в области быстрых реакторов, Италия:

— Хочу поздравить российских коллег с этим важнейшим событием — началом сооружения первого в мире реактора на быстрых нейтронах со свинцовым теплоносителем и первого энергоблока четвертого поколения, который будет построен в России.

Проект «Прорыв», частью которого является реактор БРЕСТ, — это воплощение в жизнь технологии замыкания ядерного топливного цикла, которая была мечтой наших предшественников. Он действительно может подтолкнуть нас к началу новой эры в области ядерных технологий. И мы открыты к этому яркому будущему, в котором ядерная энергия будет мирно использоваться на всей планете.

Уильям МЭГВУД, генеральный директор Агентства по ядерной энергии при Организации экономического сотрудничества и развития, Австрия:

— Сложно сказать, каким будет будущее для энергетики, окружающей среды или атомных технологий. Но мы точно знаем, что если мы хотим добиться процветания атомной отрасли, то нам нужно внедрять инновации, и этот проект — инновации в деле. Поэтому я поздравляю всех, кто принимал в этом участие, поздравляю строителей, поздравляю моих друзей в России, которые воплотили эту мечту в жизнь. И я вам немного завидую. Вы задали очень высокую планку для своих коллег со всего мира, которые тоже работают над инновациями в сфере новых технологий. Мы надеемся, что последуем за вами, а пока будем следить за тем, как новые технологии разрабатываются в интересах всего человечества.

Тору ОБАРА, профессор Токийского института, Япония:

— В настоящее время мы сталкиваемся с серьезной проблемой изменения климата. Снижение выбросов парниковых газов является необходимым для решения этой проблемы. Эффективное использование ядерной энергии — один из способов достичь этой цели. Реакторы на быстрых нейтронах способны не только замыкать топливный цикл, но и использовать более эффективно ресурсы природного урана. Кроме того, они могут сократить количество радиоактивных отходов. А использование свинца в качестве теплоносителя позволяет упростить реакторную технологию и улучшить показатели безопасности. Я с огромным интересом наблюдаю за развитием этого проекта, в том числе и за процессом замыкания топливного цикла.

Профессор Шон ГИ РИ, конгрессмен, экс-глава Министерства образования, науки и техники Республики Корея:

— Я думаю, что «Прорыв» — это один из самых многообещающих и лучших проектов в области атомной энергетики, которые реализуются сегодня в мире. Этот проект, безусловно, положит начало новой эре в истории человечества в целом и ядерной энергетики в частности. Самым важным фактором в деле мирного использования атома является безопасность. Второй фактор — это конкурентоспособность. А третий — поставки сырья и программа по ядерным отходам. И этот проект сможет ответить на все такие вызовы.

Ицань У, академик Китайской академии наук, директор Института ядерных энергетических технологий (КНР):

— Начало строительства БРЕСТа — очень обнадеживающая новость для всех мировых исследователей, которые занимаются разработкой реакторов со свинцовым теплоносителем и других инновационных ядерно-энергетических систем. А проект «Прорыв» поможет исследовать важный путь к устойчивому развитию энергетики. Ведь при замыкании ядерного топливного цикла большая часть урана, содержащегося в топливе, может быть в достаточной степени использована повторно. Таким образом, объем, токсичность и продолжительность жизни долгоживущих радиоактивных отходов будут значительно сокращены, а потребность в новых ресурсах урана может быть значительно снижена.

Китай также занимается разработкой реакторов со свинцовым теплоносителем и инновационными направлениями ядерной энергетики. Ведущая китайская исследовательская группа FDS, которую я представляю, на протяжении десятилетий проводит соответствующие исследования. Мы надеемся, что благодаря совместным усилиям глобальных игроков ядерно-энергетического сообщества атомная энергия сможет стать устойчивой базой для долгосрочного развития и принесет пользу будущим поколениям. Все люди смогут жить в экологичном мире с низким уровнем выбросов углерода.

В МФТИ создают «локальный» вечный двигатель второго рода

Физики из МФТИ выяснили, как создать «локальный» вечный двигатель второго рода — квантовое устройство, в котором не соблюдается второе начало термодинамики и КПД которого может достигать 100%. Однако второе начало в нём нарушается только локально, в рамках системы в целом законы физики остаются незыблемыми, говорится в статье, опубликованной в журнале Physical Review A.

Второй закон термодинамики гласит, что тепловая энергия не может переходить от менее горячих объектов к более горячим, или, в иной формулировке — величина энтропии (степени неупорядоченности) в замкнутой системе либо растёт, либо остаётся постоянной. Согласно ещё одной формулировке закона, КПД тепловой машины никогда не может достигать 100%, иными словами, невозможен вечный двигатель второго рода.

«Любой тепловой двигатель состоит из нагревателя, который собственно и является источником энергии, и холодильника, задача которого состоит в охлаждении рабочего тела двигателя. Холодильник понижает энтропию двигателя и при этом неизбежно тратит впустую часть тепловой энергии, полученной от нагревателя. Именно поэтому КПД теплового двигателя никогда не достигает 100%», — поясняет ведущий автор исследования Андрей Лебедев , сотрудник Технического университета Цюриха и МФТИ.

Ранее группа под руководством ведущего научного сотрудника Лаборатории квантовой теории информации МФТИ и Института теоретической физики имени Л. Д. Ландау РАН Гордея Лесовика , пытаясь доказать справедливость второго закона термодинамики для квантовых систем, обнаружила , что в квантовом мире он может при определённых условиях нарушаться.

Оказалось, что в квантовых системах относительно небольшого, но макроскопического размера — сантиметры и даже метры (в линейном измерении) — энтропия может снижаться, но этот процесс происходит без передачи тепловой энергии, за счёт явления квантовой запутанности.

В новой статье Лебедев, Лесовик и их коллеги из Цюриха описали квантовую тепловую машину, КПД которой может достигать 100%. Она состоит из нескольких квантовых элементов — кубитов, которые могут находиться в состоянии квантовой запутанности друг с другом. Один из кубитов поглощает тепло, но в силу его квантовой природы эту энергию можно использовать только с вероятностью 50%. Чтобы извлекать энергию с вероятностью 100%, нужно снизить его энтропию, сделать это состояние «чистым» (в терминологии квантовой механики). Эту задачу решает вспомогательный чистый кубит, который обменивается своим квантовым состоянием с термализованным «грязным» состоянием рабочего кубита. Важно, что при этом передачи энергии между двумя кубитами не происходит.

«Можно сказать, что избыточная энтропия телепортируется из системы наружу во вспомогательный кубит, который играет роль квантового „демона Максвелла“», — говорит Лесовик.

После «вычищения» рабочего кубита оказывается, что собрать энергию с вероятностью 100% в одном кубите — это всё ещё непростая задача. Чтобы её решить, пришлось вдвое увеличить число рабочих элементов — кубитов.

«Финальная часть цикла — „демонские“ ( их, кстати, по смыслу можно назвать скорее „ангельскими“ — за их очистительно-информационную деятельность) кубиты нужно почистить обычным образом, с затратой энергии, но это происходит вдали от системы. Важно подчеркнуть, что на этой стадии в объёме, заключающем в себе и систему, и „демона/ангела“, справедливость второго закона восстанавливается», — говорит Гордей Лесовик.

Сейчас группа занимается детальной разработкой установки для экспериментальной проверки своей теории на базе сверхпроводящих кубитов — трансмонов.