Демон Максвелла заработал

Как можно получать энергию из информации? До последнего времени на это был способен только демон Максвелла – фантастическое существо, придуманное в 1867 году великим физиком Джеймсом Максвеллом для иллюстрации парадокса второго начала термодинамики. Теперь японские ученые приблизились к выработке такой экспериментальной модели. В будущем они надеются создать наномашины, которые будут «питаться» информацией. Работу ученых публикует Nature Physics.

По определению самого Максвелла, автора многих базовых законов электродинамики, кинетики, молекулярной физики и термодинамики, его

демон «способен следить за траекторией каждой молекулы и выполнять совершенно недоступные для нас действия».

Другими словами, демон способен различать и сортировать отдельные молекулы. Как же извлекать энергию из этой способности? Представим некий сосуд, разделенный перегородкой на две части (на рисунке). Сосуд заполнен молекулами двух типов: «горячие» (на рисунке темные) частицы движутся быстрее, а «холодные» (светлые на рисунке) движутся медленнее. В состоянии равновесия (верхняя часть рисунка) молекулы перемешаны, как того требует второй закон термодинамики: всякая система в изолированном состоянии стремится к максимальной энтропии, то есть максимуму беспорядка.

Однако в перегородке есть отверстие, которое может открывать и закрывать тот самый демон. Он обладает описанной выше способностью, то есть отличает «горячие» частицы от «холодных». Поэтому он может «поработать» так, чтобы все «горячие» частицы оказались справа от перегородки, а «холодные» слева. Для этого он будет позволять броуновски (беспорядочно) движущимся «горячим» частицами из левой части преодолеть перегородку, а из правой – нет (и проделывать всё наоборот с «холодными» частицами). В результате из неупорядоченного состояния возникнет упорядоченное, что противоречит второму закону термодинамики. Демон Максвелла, пользуясь только информацией о качестве частиц, создаст энергию за счет разности температур в двух частях сосуда, которую затем можно будет использовать.

Таким образом,

первоначально казалось, что демон получает энергию «из ничего» и создает вечный двигатель.

Однако парадокс разрешился, ведь демон сам должен тратить определенную энергию, чтобы получить информацию о хаотично движущихся частицах. Поэтому нарушения законов термодинамики здесь нет: энергия возникает из работы, проделываемой демоном.

Так или иначе, создать физическую работающую модель демона и показать, как он работает, никому не удавалось.

Японские ученые, однако, сообщили в последнем номере Nature Physics об успехе такого эксперимента. Они создали миниатюрного «демона» с помощью полимерного шарика и электрического поля.

В эксперименте использовались два шарика из полистирола, обычного пластика, диаметром 0,3 мкм (300 нм). Один из них закрепили на стеклянной поверхности, а второй был расположен так, что мог свободно вращаться вокруг первого. Всю систему погрузили в жидкость. В результате хаотического движения молекул жидкости система с равной частотой поворачивалась и по, и против часовой стрелки (из-за маленьких размеров шарик успешно «чувствовал» флуктуации жидкости).

Затем к жидкости приложили дополнительное электрическое поле, которое сообщало системе шариков вращательный момент. Картина вращения системы сохранилась. Хотя в некоторых случаях энергия хаотического движения частиц жидкости была достаточной, чтобы повернуть шарик против направления действия электрического поля, все-таки чаще система следовала вращательному моменту, сообщаемому ей полем.

Наконец,

на «сцене» появился сам «демон» в виде камеры и компьютера, контролирующего электрическое поле.

Камера контролировала вращение системы; как только системе удавалось самостоятельно противостоять приложенному электрическому полю, «демон» в компьютере менял его режим, слегка «подталкивая» систему в нужном направлении. Дальше она снова следовала ему сама, используя только силы броуновского движения.

Таким образом вращающаяся система производила механическую энергию. Расчеты показали, что производимая энергия чуть больше, чем энергия электрического поля, приложенного к системе. «Демону» требовалась лишь информация о направлении вращения системы, чтобы ее создать. Оказалось, что при комнатной температуре один бит информации способен создать очень маленькую энергию в 3x10^-21 джоуля.

«Мы показали соотношение информации и энергии, получаемое при работе «демона», и подтвердили фундаментальный принцип его работы», – сказал один из авторов работы Шоичи Тоябе, слова которого приводит NewScientist.

Он подчеркнул, что энергия, производимая системой, ничтожно мала, однако в будущем может быть использована для питания наноустройств.