Информационный двигатель. верхом на демоне

Физики продемонстрировали информационный двигатель — устройство, преобразующее информацию в работу «без потерь». Следует понимать так, что в этом механизме, совместимом с т.н. обобщенный второй закон термодинамики, никакая информация не теряется.

Рассматриваемый эксперимент был проведен исследовательской группой во главе с Хьюкой Кью Паком из Института фундаментальных наук в Ульсане, Южная Корея. Его описание есть в «Physical Review Letters».

«Поиск новых двигателей ознаменовал собой прогресс в термодинамике и механике, поскольку Карно установил предел эффективности тепловых двигателей в 1824 году», — пишет Пак в опубликованном исследовании. «Обработка информации в виде «демонов» вводила новые ограничения, поэтому необходимо было проверить их экспериментально».

Традиционно максимальная эффективность, с которой двигатель может преобразовывать энергию в работу, ограничена. Однако эксперименты, проведенные в последние годы, показали, что КПД двигателя может превышать пределы, вытекающие из этого принципа. Потому что если двигатель получает информацию из окружающей среды, он способен превратить ее в работу. Те информационные двигатели — назвал образно «demonami Maxwella», с самой первой концепции такого устройства — они могут работать благодаря фундаментальной связи информации с термодинамикой, которую ученые до сих пор пытаются до конца понять.

Недавние экспериментальные демонстрации информационных машин подняли вопрос о том, насколько эффективно они могут превращать информацию в работу. В ответ ученые недавно разработали обобщенный второй закон термодинамики, учитывающий преобразование энергии и информации в работу.

Обобщенный второй закон термодинамики гласит, что работа информационной машины есть сумма двух составляющих. Во-первых, это разница между конечным состоянием и начальным состоянием (традиционная термодинамика). Во-вторых, количество доступной информации (дополнительная работа, полученная из информации).

Однако до сих пор ни один прототип информационной машины не приблизился к теоретически предсказанным уровням эффективности.

Демон Максвелла (: Институт фундаментальных наук)

Информационная энергия

Для достижения максимальной эффективности, определяемой обобщенным вторым законом, ученые из корейского университета сконструировали информационный двигатель из элементарной частицы, «захваченной» светом при комнатной температуре. Случайные тепловые флуктуации заставляют крошечную частицу слегка двигаться, а фотодиод отслеживает изменение положения частицы с пространственной точностью в один нанометр. Если частица движется в определенном направлении на некотором расстоянии от начальной точки, световая ловушка быстро движется к частице. Этот процесс повторяется так, что со временем двигатель перемещает частицы в нужном направлении, получая работу от информации, полученной от случайных тепловых флуктуаций.

Одной из наиболее важных особенностей этой системы является почти мгновенная реакция обратной связи — ловушка перемещается за доли миллисекунды, давая частице время для продолжения движения и рассеивания энергии. В результате почти никакая энергия, вырабатываемая этим изменением, не теряется в виде тепла, а вся преобразуется в работу. Избегая потери информации, преобразование информации в энергию в этом процессе достигает примерно 98,5% от XNUMX%-го предела, определяемого обобщенным вторым правилом. Результаты подтверждают эту связь и иллюстрируют возможность извлечения почти максимальной ценности произведения из информации.

Результаты этого эксперимента также могут привести к практическим применениям, которые ученые планируют исследовать в будущем. Как пишет Пак в публикации, «можно представить себе инженерные системы, в которых информация используется для управления молекулярными процессами и направления их в нужное русло. Один из вариантов — создание гибридных биологических и инженерных систем даже в живой клетке».

Иногда говорят — «У кого есть информация, у того и сила». Из сказанного следует, что у того, кто владеет информацией, есть энергия и работа.

Демон Максвелла — концепция, предложенная Джеймсом Клерком Максвеллом в качестве своеобразного мысленного эксперимента, направленного на то, чтобы показать физический смысл второго закона термодинамики, запрещающего, в частности, образование значительной разницы температур между двумя изолированными от окружающей среды телами, изначально имеющими одинаковую температуру и способными свободно обмениваться друг с другом теплотой или массой. Точнее, без демона ни одна термодинамически изолированная система не может уменьшить свою энтропию. Первоначальное определение демона было дано его автором в 1867 г.: «…если представить себе существо, способное следовать за каждой молекулой в отдельности, то такое существо, хотя и обладающее теми же атрибутами существования, что и мы, было бы способно к действиям которые для нас невыполнимы. Как мы показали, молекулы в сосуде, наполненном воздухом при постоянной температуре, движутся с самыми разными скоростями, но средняя скорость любого большого случайного числа их почти всегда одинакова. Представим, что этот сосуд разделен на две части А и Б перегородкой, в которой есть маленькое отверстие, и наше существо, способное видеть отдельные частицы, открывает и закрывает это отверстие, так что проходят только более быстрые частицы из А в В, и только более медленные из В в А. Таким образом, без затрат работы температура В увеличится, а А уменьшится, что противоречит второму закону термодинамики».