Эффект Мпембы научились ограничивать, измерять и включать


Физики представили сразу три исследования эффекта Мпембы — парадокса, при котором система, находящаяся дальше от равновесия, достигает его быстрее, чем более «близкая».

В одной работе рассчитали предел ускорения в гранулированном газе, в другой предложили наблюдать квантовый эффект по одной величине, а в третьей — включать и выключать его перестановкой резервуаров. Все три работы опубликованы как препринты и ещё не прошли рецензирование. Но вместе они показывают: эффект Мпембы постепенно превращается из странности в инструмент управления релаксацией.

Гранулированный газ: физика ограничивает максимальное ускорение

Карлос Риос-Монхе, Алехандро Патрон-Кастро, Карлос Плата, Бальтасар Санчес-Рей и Антонио Прадос изучали гранулированный газ — твёрдые частицы, которые сталкиваются неупруго и теряют энергию. Внешний стохастический термостат случайно подкачивал энергию в систему.

Авторы поставили задачу оптимального управления: как подготовить газ так, чтобы затем он релаксировал максимально быстро или максимально медленно. Оказалось, что сложные протоколы не дают дополнительного выигрыша. Оптимальный вариант — либо максимальное, либо минимальное воздействие на всём этапе подготовки. Такой режим авторы называют one-bang protocol — протоколом с одним предельным воздействием.

Ключевой параметр здесь — избыточный эксцесс, показатель того, насколько распределение скоростей частиц отличается от гауссовского. Он хранит память о том, как систему готовили. При одинаковой температуре большее значение избыточного эксцесса соответствует более высокой скорости охлаждения. Поэтому эта величина определяет, сможет ли одна система обогнать другую при последующей релаксации.

Однако усилить эффект бесконечно нельзя. Стохастический термостат способен создавать только ограниченный набор неравновесных состояний. Значит, и максимальная сила эффекта Мпембы ограничена физически достижимыми состояниями системы. Расчёты проверили численным моделированием динамики миллиона частиц. Результаты хорошо совпали с теоретическими предсказаниями.

Квантовый кубит: одна величина вместо полной томографии

Хосе Мануэль Чокеуанка, Педро Обандо, Марсело Саранди и Фернандо де Паула предложили способ наблюдать квантовый эффект Мпембы без полной томографии состояния. В открытых квантовых системах для подтверждения эффекта обычно требуется восстановить всю матрицу плотности. Это трудоёмкий процесс, требующий большого набора измерений.

Авторы предложили заменить его одной специально сконструированной наблюдаемой. Её среднее значение пересекается ровно в тот момент, когда происходит пересечение выбранной меры релаксации. Для модели кубита с тепловым окружением эта наблюдаемая сводится к локальной намагниченности вдоль определённого направления на сфере Блоха. Направление рассчитывается по начальным состояниям, динамике релаксации и выбранной мере эффекта Мпембы.

Достаточно подготовить много одинаковых копий кубита и измерить каждую в одной базе. Полностью восстанавливать квантовое состояние не нужно. На модели кубита авторы показали, что метод можно настроить как на следовое расстояние до равновесия, так и на эрготропическую температуру. Пока это теоретическая схема для одного кубита. Следующий шаг — проверка в многочастичных системах и реальных экспериментах.

Два резервуара: перестановка включает и выключает эффект

Вэй-Бинь Янь, Ин-Цзе Чжан, Юнь-Цзе Ся, Хэн Фань и Чжун-Сяо Мань предложили невзаимный квантовый эффект Мпембы. Система соединена через симметричные каналы с двумя одинаково устроенными резервуарами, параметры которых немного различаются.

При одном расположении резервуаров состояние, находящееся дальше от равновесия, приходит к нему быстрее. После перестановки параметров левого и правого резервуаров эффект исчезает — при тех же начальных состояниях. Самый необычный результат заключается в том, что спектр динамики не меняется. Собственные значения оператора Лиувилля, определяющие скорости затухания, остаются прежними. Меняются только собственные векторы — направления, по которым система движется к равновесию.

До перестановки далёкое состояние оказывается ортогональным самому медленному режиму и фактически пропускает его. После перестановки собственный вектор поворачивается, состояние получает проекцию на медленный режим и теряет преимущество. Эффект сохраняется даже в исключительной точке, где собственные значения и собственные векторы сливаются и возникает критическое замедление. При одном расположении резервуаров подготовленное состояние избегает этого замедления и релаксирует по чистому экспоненциальному закону. После перестановки критическое замедление возвращается.

Авторы продемонстрировали механизм на теоретической модели трёхуровневой системы с двумя фермионными резервуарами и сопоставили упрощённое описание с полной динамикой. Экспериментального подтверждения пока нет. Но управление параметрами искусственных резервуаров уже доступно в квантовых точках, ионных ловушках и сверхпроводящих схемах.

Из парадокса — в инструмент

Три группы изучали разные системы, но пришли к общей идее. Вместо вопроса «почему возникает эффект Мпембы» физики всё чаще спрашивают, как его подготовить, измерить и использовать.

Первая работа показывает, что у эффекта есть физический предел. Вторая упрощает его обнаружение. Третья предлагает способ включать и выключать ускоренную релаксацию изменением окружения.

Если предложенные схемы подтвердятся экспериментально, эффект Мпембы может пригодиться для подготовки квантовых состояний и оптимизации квантовых тепловых процессов и термодинамических циклов.

Читайте также:

Тираннозавра рекса Гаса продали за рекордные $50,13 млн на аукционе Sotheby’s

Чёрная дыра могла разорвать звезду, но её «голос» не умолкал шесть лет

SpaceX получила разрешение на новый запуск Starship после расследования аварии

ИИ начал повышать цены на ноутбуки, смартфоны и электричество

TSMC построит на Тайване ещё два завода для упаковки чипов ИИ

Как Чернобыль, 11 сентября и COVID-19 перекроили мировую науку

Франция и Испания разыграют «скрытый финал» ЧМ-2026, но Аргентина и Англия с этим не согласятся

Одна ракета — 36 полётов: SpaceX успешно обновила рекорд многоразовости Falcon 9

DeepSeek взялась за собственный AI-чип, чтобы меньше зависеть от Nvidia и Huawei

Учёный-физик предложил считать биологический возраст по внутренним «тикам» организма

ИИ устроил Samsung денежный взрыв: прибыль может вырасти в 18 раз

Новая китайская ИИ GLM-5.2 догоняет OpenAI и Anthropic

«Фильм Вселенной»: Rubin начал 10-летнюю съёмку неба, которая изменит астрономию

Можно ли жениться на ИИ: юрист предупреждает о корпорации внутри брака

На Земле может быть до 20 млн видов насекомых — большинство мы ещё не знаем

Биологические часы зависят не от одного сбитого дня, а от привычного режима

 Добавьте «Aramil.life» в свои источники Google ☑