Tìm ra cách phá vỡ định luật thứ hai của nhiệt động lực học

Các định luật động lực học là một trong những nguyên tắc quan trọng trong vật lý hiện đại, bởi chúng xác định được ba đại lượng vật lý cơ bản là nhiệt độ, năng lượng và entanpi trong nhiều tình huống khác nhau.

Mới đây, các nhà vật lý cho biết họ tìm thấy một lỗ hổng ở một trong những định luật động lực học. Lỗ hổng này có thể tạo ra một môi trường khiến entanpi bị rối loạn hoặc sụt giảm theo thời gian.

Nhờ vào nền tảng vật lý hiện đại, hầu hết tất cả mọi thứ trong vũ trụ hiện đại đều có thể được giải thích theo hai giả thuyết: thuyết tương đối tổng quát cho những thứ to lớn như các ngôi sao, thiên hà và cả vũ trụ và cơ học lượng tử trên mức độ các phân tử.

Trong hai nhánh đó, chúng ta có bốn định luật của nhiệt động lực học, mô tả về năng lượng nhiệt được chuyển đến và rời đi từ các loại năng lượng khác nhau, và hiệu ứng này có thể được nhìn thấy trên các hình thức khác nhau của vật chất.

Nói tóm lại, nếu bạn muốn biết năng lượng đã di chuyển như thế nào từ một phân tử đến một hố đen, bạn chỉ cần áp dụng những định luật. Giờ đây, các nhà nghiên cứu khuyên bạn hãy dành sự quan tâm đến định luật thứ hai của nhiệt động lực học. Định luật này nói về quá trình chuyển đổi năng lượng trong một hệ gồm vật sử dụng và vật không sử dụng.

Định luật thứ hai của nhiệt động lực học nói về sự chuyển đổi năng lượng trong một hệ khép kín, đã có thể bị phá vỡ bởi một lỗ hổng nhỏ. (Ảnh: Pixabay).

Khi năng lượng sử dụng trong một hệ khép kín bị giảm, năng lượng không sử dụng tăng lên, thì entanpi sẽ tăng lên. Entanpi là một thước đo về sự rối loạn năng lượng trong một hệ khép kín, chúng tỷ lệ thuận theo sự rối loạn và không thể bị đảo ngược được.

Định luật thứ hai của nhiệt động lực học thậm chí còn ít sâu sắc hơn so với định luật thứ nhất. Nó nói rằng năng lượng không thể tự tạo ra cũng không thể tự biến mất, đảm bảo những giới hạn nhất định của vũ trụ.

"Định luật thứ hai chủ yếu cho chúng ta biết về những quá trình không thể đảo ngược trong vũ trụ. Cho thấy một mũi tên thời gian luôn đi thẳng và số phận của vũ trụ đã được định đoạt trước, không thể thay đổi", nhà vật lý Alok Jha cho biết.

Các nhà nghiên cứu tại Phòng Thí nghiệm Quốc gia Argonne của Cơ quan Năng lượng Hoa Kỳ đã cho biết rằng họ tìm thấy một lỗ hổng trong định luật thứ hai của nhiệt động lực học, khiến entanpi sẽ đi theo chiều hướng ngược lại trên một quy mô nhỏ và trong một thời gian rất ngắn.

Họ tiến hành một thống kê về nền tảng của định luật thứ hai, được gọi là lý thuyết H. Ở dạng đơn giản nhất, lý thuyết H mô tả khi bạn mở cửa giữa hai căn phòng – một phòng nóng, một phòng lạnh – cuối cùng cả hai sẽ có được mức nhiệt độ ấm.

Nhưng trên thực tế, các phân tử không được vẽ bản đồ trước đường đi như thế nào, nên chúng sẽ di chuyển rất loạn xạ và thường đi theo thành từng nhóm chứ không di chuyển riêng lẻ từng phân tử.

Để nhìn kỹ hơn về thí nghiệm, nhóm nghiên cứu quyết định thực hiện lý thuyết H ở quy mô lượng tử. Họ thực hiện bằng cách sử dụng thông tin lượng tử dựa trên một loạt các hệ thống toán học trừu tượng và áp dụng nó vào vật lý chất rắn, để tạo ra một mô hình lý thuyết H mới.

"Điều này cho phép chúng ta xây dựng một lý thuyết H ở mức độ lượng tử, nó có liên quan đến những gì mà lý thuyết H làm được ở mức độ vật chất vật lý quan sát được", Ivan Sadovskyy, thành viên của nhóm nghiên cứu, cho biết.

Khi thực hiện lý thuyết H ở quy mô lượng tử, các nhà khoa học đã làm giảm được entanpi tạm thời trong một thời gian ngắn. Rồi họ so sánh kết quả này với một thí nghiệm năm 1867 được thực hiện bởi nhà vật lý Demon Maxwell.

Maxwell đặt giả thuyết rằng có một con quỷ ngồi giữa hai căn phòng nóng lạnh đó, và chỉ cho phép những hạt di chuyển ở một tốc độ nhất định đi qua, từ đó sẽ kiểm soát được dòng chảy của nhiệt độ, kết quả là một căn phòng sẽ ấm lên trong khi một căn phòng sẽ nguội đi.

"Con quỷ đó chỉ cho phép những dòng chảy nóng đi qua, còn những dòng chảy lạnh thì đẩy đi một hướng khác. Về cơ bản, con quỷ có thể hòa trộn hai dòng chảy này", Avery Thompson cho biết.

Phòng thí nghiệm Argonne đã tiến một bước xa hơn bằng cách đưa ra một mô hình toán học để cho thấy một hệ ở quy mô lượng tử như thế có thể được tạo ra, nơi mà các entanpi bị giảm đi.

"Mặc dù thí nghiệm chỉ được thực hiện ở quy mô rất nhỏ và thời gian diễn ra rất ngắn, nhưng tác động của nó là rất lớn. Điều này cho chúng ta thấy con quỷ của Maxwell hoàn toàn có thể trở thành sự thật, hoặc chúng ta có thể chế tạo một cỗ máy chuyển động lượng tử trong tương lai", thành viên Valerii Vinokur của nhóm nghiên cứu cho biết.

Sắp tới, nhóm nghiên cứu sẽ mở rộng quy mô của nghiên cứu. Lý thuyết H sẽ được tiến hành trên một quy mô lớn hơn trong một hệ khép kín có lẽ được giả lập trên máy tính.