Демон Максвелла выпущен на волю

В 1867 году для иллюстрации парадокса второго начала термодинамики физик Джеймсом Максвеллом выдумал фантастическое существо – демона, способного следить за траекторией каждой молекулы и выполнять совершенно недоступные для людей действия, например, получать из информации энергию. Модель демона Максвелла, созданная недавно японскими физиками, представляет собой управляющий электрическим полем компьютер.

Модель, предложенную Джеймсом Максвелом, можно описать следующим образом. Представьте себе разделенный на две части сосуд, который заполнен горячими и холодными молекулами. Согласно второму закону термодинамики, в состоянии равновесия молекулы будут перемешаны. Наделенный сверхспособностями демон может открывать и закрывать перегородку сосуда и добиться того, чтобы все «горячие» молекулы оказались в разных частях сосуда. Для того, чтобы этого достичь, демон разрешит преодолевать перегородку горячим молекулам из левой части сосуда и запретит это действие для горячих молекул, находящихся в правом отделении. С холодными же частицами он поступит противоположным образом.

Результатом его работы станет противоречащая второму закону термодинамики трансформация неупорядоченного состояния в упорядоченное. Кроме того, используя информацию о качестве молекул, демон Максвелла создаст энергию за счет разности температур в двух частях сосуда, которую затем можно будет использовать.

На первый взгляд может показаться, что демон получает энергию «из ничего», то есть является моделью вечного двигателя. К сведению, вопрос о вечном двигателе один из наиболее часто задаваемых на QQ.BY - ответы на него разнообразны. Однако современные ученые разрешили этот парадокс: энергия возникает из деятельности демона, а, значит, закон термодинамики не нарушается.

Японские физики стали первыми учеными, которым удалось создать физическую работающую модель демона Максвелла.

Ученые использовали два полимерных шарик диаметром 0,3 мкм. Первый шарик закрепили на стеклянной поверхности, а второй разместили таким образом, чтобы он мог свободно вращаться вокруг первого. Затем систему поместили в жидкость. Сверхмаленький шарик прекрасно чувствовал флуктуации жидкости, и потому система с равной частотой вращалась как по часовой стрелке, так и в противоположном направлении.

На следующем этапе в раствор был подан слабый переменный ток, таким образом, чтобы шарику было энергетически выгодно вращаться только в одном направлении. При этом сохранялось и влияние броуновского движения молекул раствора.

И, наконец, ученые выпустили на сцену «демона Максвела», роль которого в этом эксперименте выполняли камера и компьютер, контролирующие систему.

Когда камера фиксировала самостоятельное противостояние системы приложенному электрическому полю, компьютер менял его режим, слегка направляя вращение в необходимом направлении. Получается, что система производила механическую энергию, которая, согласно расчетам ученых, оказалась несколько больше, чем энергия задействованного электрического поля. Таким образом, компьютеру, как и виртуальному демону Максвелла, чтобы создавать энергию  требовалась лишь информация о системе.

«Нам удалось продемонстрировать соотношение информации и энергии, получаемое при работе демона Максвелла, и подтвердить фундаментальный принцип его работы», – отметил из авторов эксперимента, японский физик Шоичи Тоябе.

Ученый также заметил, что, несмотря на то, что энергия, производимая системой, ничтожно мала, в будущем ее можно будет использовать для питания наноустройств.

29.11.2010

Интересное по этой теме: