У центрі Токіо виявлений демон Максвелла

Японські вчені спокусилися на святая святих класичної фізики - другий закон термодинаміки. Їм вдалося створити аналог демона Максвелла - страшилки, від якої ось вже друге століття тремтять фізики.

Японські фізики підлили масла у вогонь незатухающих більше століття суперечок про те, чи можливо отримання енергії з рівноважних термодинамічних систем. Це питання розбурхує уми фізиків-теоретиків з XIX століття, з тих пір, коли Джеймс Максвелл показав статистичну природу другого початку термодинаміки. Цей закон говорить, що неможливий мимовільний перехід тепла від менш нагрітого тіла до більш нагрітого.

Демон Максвелла

Яскравою ілюстрацією закону стало подання про неможливість існування так званого демона Максвелла - гіпотетичного розумної істоти, придуманого самим ученим. Уявний експеримент Максвелла простий: уявімо посудину з газом, розділений на дві частини непроникною перегородкою з маленькою дверцями. За задумом Максвелла демон повинен оцінювати швидкість підлітають до клапана молекул, відкривати його перед швидкими і закривати перед повільними. Таким чином, по ідеї, в одній частині судини повинні зібратися гарячі молекули, а в іншій - холодні. У такому випадку посудину перетворився б на класичний тепловий двигун з нагрівачем і холодильником, готовий у будь-який момент здійснити роботу. Однак це суперечить другому закону термодинаміки, що свідчить, що ентропія (міра впорядкованості) замкнутої системи може змінюватися тільки у бік збільшення. Щоб дізнатися швидкість молекули, демону обов'язково доведеться відняти її частина енергії, збільшивши при цьому ентропію системи.

Японський демон

Група японських учених під керівництвом Шоічі Тоябе з університету Чуо (Токіо) винайшла аналог демона Максвелла, що вимірює не швидкість, а положення частинок в потенційному полі. Щоб зрозуміти принцип його роботи, вони запропонували провести другий уявний експеримент. Нехай в якому-небудь потенційному полі мається вертикальна мікроскопічна сходи, посередині якого знаходиться частка. Перебуваючи в рідкому середовищі, частка приймає участь в броунівському русі, опиняючись в різних точках простору. Завдяки наявності силового поля ймовірність зіскочити на одну сходинку у частинки завжди вище, ніж вірогідність піднятися. Вчені придумали, як відслідковувати такі події за допомогою мікроскопічної камери. Камера (або електронний мікроскоп) дозволяють реалізувати систему зі зворотним зв'язком. Побачивши "заскок", камера змушує спрацьовувати бар'єр, що замикає частку у верхньому положенні. Таким способом можна змусити частку крок за кроком збільшувати свою потенційну енергію, докладаючи до цього як завгодно малі витрати з боку "демона". "Система зі зворотним зв'язком дозволяє відбирати лише ті флуктуації, в яких на мікромасшабе порушується другий закон - коли частка стрибає вгору", - пояснили вчені.

Для цього експерименту вчені використовували двовимірну частку, що складається з кульок полістиролу діаметром 287 нанометрів. Частинку помістили в розчин так, що один її кінець виявився закріпленим у нерухомої стінки, а інший залишився вільним, так що частка могла обертатися. Далі частинку помістили в електричне поле, синусоидально змінюється з частотою в 1 МГц. За допомогою модуляції поля частинка кожен раз опинялася на сходинці між сусідніми гребенями синусоїди. При цьому різниця потенціалу між двома сусідніми сходинками дорівнювала середній енергії руху частки (kT). За допомогою електронного мікроскопа вчені періодично фіксували положення частки, і, в разі її появи на щабель вище попереднього положення, все тим же полем ставили перед нею енергетичний бар'єр.

Термоінформаціонний мотор"Погравши" з частотою фіксації положення, вчені з'ясували, що при певному режимі частинка впевнено повзе вгору, збільшуючи потенційну енергію. Таким способом вперше вдалося конвертувати інформацію (дані про місцезнаходження окремо взятої частинки) у збільшення її вільної енергії. "У нашій системі демон складається з макроскопічних приладів, таких, як комп'ютер, при цьому мікроскопічний прилад отримує енергію за рахунок енергії макроскопічного об'єкта. Іншими словами, перетворення інформації в енергію здатне повідомляти енергію для наномашин, навіть якщо керувати ними безпосередньо неможливо ", - пояснили в своїй роботі вчені. При цьому усередині системи, що складається з частинки і самого демона, відзначають дослідники, другий початок термодинаміки не порушується. За словами вчених, предметом подальшого дослідження має стати молекулярний наномотор, в якому демон і система зворотного зв'язку будуть мікроскопічними. Робота вчених опублікована в журналі Technology Review, пише Інфокс.