В 1867 году физик Джеймс Клерк Максвелл совершил нечто очень грязное.
Он предложил очевидное нарушение второго закона термодинамики, настолько дьявольски умное, что с тех пор другие физики пытались его разрешить.
Его мысленный эксперимент вызвал «демона» — крошечное разумное существо, находившееся у двери между двумя камерами, наполненными газом, пропускающее только быстрые частицы в одну сторону и медленные частицы в другую — в результате чего в одной камере было тепло, а в другой — холод.
Проблема в том, что это уменьшает энтропию – то, что, согласно второму закону термодинамики, не может произойти в изолированной системе без компенсирующего увеличения в другом месте.
Однако демон Максвелла, очевидно, достигает этого, не совершая никакой работы. Это образец праздности.
Теперь новая команда физиков усугубила проблему.
Используя информацию, скрытую в памяти физической системы, исследователи показали, что симулирующий бес может извлечь больше энергии, чем когда-либо отдала бы система без памяти.
Frameborder=”0″allow=”акселерометр; автозапуск; буфер обмена-писать; зашифрованные носители; гироскоп; картинка в картинке; web-share” Referrerpolicy=”strict-origin-when-cross-origin”allowfullscreen>Чтобы внести ясность: первоначальный парадокс Максвелла уже давно разрешен. В конце концов, трюк демона не бесплатен: информация физична, и ее обработка сопряжена с термодинамическими затратами, которые сохраняют второй закон.
Но резолюция выявила нечто захватывающее. Информация о физической системе сама по себе может использоваться для извлечения полезной работы из этой системы.
И чтобы продемонстрировать эту идею, физик Клеменс Бехингер из Университета Констанца в Германии и его коллеги построили реальную версию демона Максвелла.
Вот как это работало. Исследователи использовали лазер, чтобы поймать микроскопические стеклянные шарики в жидкости. Однако, даже попав в лапы лазера, шарик не был полностью неподвижен. Его постоянно толкали окружающие его молекулы, заставляя его беспорядочно покачиваться в явлении, известном как броуновское движение.
Контролируя положение шарика, исследователи смогли определить, когда сдвинуть лазерную ловушку, чтобы воспользоваться ее движениями, извлекая при этом немного энергии.
Это основной принцип информационной машины – использование знаний о системе для превращения случайного движения в полезную работу.
Но есть одна загвоздка. Информационная машина может использовать только ту информацию, к которой у нее есть доступ. А в реальном мире часть этой информации может быть скрыта.
И именно здесь система Бехингера начинает выходить за рамки стандартного демона Максвелла – потому что эта жидкость не является болотной водой.
Он наполнен похожими на спагетти нитями молекул, называемых мицеллами, которые образуют микроскопическую сеть, движения которой исследователи не смогли наблюдать напрямую.
Эти структуры запутывались и перестраивались, пока бусинка танцевала свою крошечную приспособленность, сохраняя следы своего прошлого движения, которые могли повлиять на то, куда она двинется дальше.
Таким образом, хотя исследователи не могли наблюдать за сетью напрямую, они могли использовать движения бусины, чтобы собрать информацию о ней.
Вместо того, чтобы просто измерить положение бусинки один раз, они измерили его дважды с тщательно рассчитанным интервалом между наблюдениями.
Это время было решающим.
Если измерения проводились слишком близко друг к другу, они мало что могли рассказать о скрытой динамике жидкости. Если они были слишком далеко друг от друга, сеть уже начала забывать предыдущие движения бусины. Исследователи обнаружили золотую середину с интервалом около одной секунды.
Сравнение результатов позволило им сделать вывод, как была нарушена окружающая сеть и как это могло повлиять на следующее движение бусины.
Это позволило им более эффективно рассчитывать время настройки лазерной ловушки, извлекая энергию, которая в противном случае осталась бы недоступной.
При определенных условиях эта стратегия позволила исследователям извлечь в три раза больше работы, чем теоретический предел для эквивалентной системы без скрытой мицеллярной памяти.
Если вам нужна мысленная картина, представьте себе фрикадельку, находящуюся в чане с невидимым супом-спагетти.
Это исследование похоже на то, как дважды покачивается фрикаделька, чтобы понять, что делают спагетти, а затем использовать эту информацию для перемещения лазерной ловушки таким образом, чтобы извлечь дополнительную энергию из скрытой динамики супа.
Следующий момент, о котором вы, вероятно, задаетесь вопросом, есть ли у этого какое-либо практическое применение, или все дело в том, чтобы дать демону Максвелла новый физический инструмент для причинения вреда.
Ну, по крайней мере на данный момент, в основном последнее. Исследователи не создали крошечную машину, способную выполнять полезную задачу. Вместо этого они продемонстрировали новый способ извлечения энергии из микроскопической системы – и в процессе этого продвинули наше понимание того, чего могут достичь информационные машины.
Это может иметь значение для будущих технологий, работающих в микроскопических масштабах, особенно в сложных средах, таких как биологические жидкости, где взаимодействие между частицами и их окружением может быть трудно предсказать.
Новое исследование предполагает, что вместо того, чтобы рассматривать эти взаимодействия как препятствие, их можно использовать в качестве дополнительного источника полезной энергии.
«Наши результаты подтверждают, что экологическая память является экспериментально доступным термодинамическим ресурсом», — пишут исследователи.
Исследование опубликовано в Физика природы.
Эта статья была проверена Ребеккой Дайер и отредактирована Ребеккой Дайер. Хотя мы гордимся своим процессом, мы всего лишь люди. Если вы заметили ошибку, пожалуйста, сообщите нам.
