Японцы создали демона Максвелла

Основа опытной установки: ротор из пары микросфер и четыре электрода (A-D), на которые подаётся синусоидальное напряжение со смещёнными фазами (шарики и электроды показаны в разном масштабе) (иллюстрация Shoichi Toyabe, Eiro Muneyuki, Masaki Sano/Nature Physics).

Демона Максвелла — мысленный эксперимент, покушающийся на второе начало термодинамики, удалось поставить в реальности физикам из университетов Тюо (Chuo University) и Токио (University of Tokyo).

Японцы создали два связанных шарика полистирола диаметром 0,3 микрометра каждый. Один находился на поверхности стекла, второй мог вращаться вокруг первого. Установку при этом заполняла жидкость. Её молекулы хаотично подталкивали шарики (броуновское движение), естественно, с равной вероятностью как по часовой, так и против часовой стрелки.

Системы с обратной связью, говорят японские физики, могут представлять собой машины нового типа, преобразующие информацию в энергию. Теоретически в будущем подобные устройства могли бы питать за счёт броуновского движения микромашины.
На рисунке показана условная схема эксперимента. Положение вращающегося ротора тут заменено шариком, прыгающим по ступенькам случайным образом. Когда шарик прыгает вверх, умный демон Максвелла ставит барьер, не позволяющий шарику скатиться обратно. При этом «демон» сам не подталкивает шарик (иллюстрация Mabuchi Design Office/Yuki Akimoto).

Далее авторы добавили слабое электрическое поле, которое создавало крутящий момент. Это был аналог лестницы, по которой шарик мог «взбираться», увеличивая потенциальную энергию. Иногда молекулы толкали ротор против действия поля (подъём), иногда в сторону поля (прыжок по ступенькам вниз). Но в целом ротор вращался туда, куда его толкало внешнее поле.

Но вот физики добавили «демона» — высокоскоростную камеру, наблюдающую за шариком, и компьютер, управляющий полем. Каждый раз, когда ротор в броуновском движении делал шаг против поля, компьютер сдвигал последнее так, что шарик мог повернуться, но когда ротор пытался вращаться обратно, поле блокировало его.

Так был создан аналог открываемой и закрываемой демоном Максвелла дверцы: ротор увеличивал свою энергию за счёт теплового движения молекул.

Законов природы, впрочем, установка не нарушает, поскольку для работы «демона» (камеры, системы коррекции напряжения) необходима энергия. Но японцы подчёркивают: данный опыт впервые на практике доказал реальность теплового насоса — демона Максвелла, теоретически обоснованного Лео Сцилардом в 1929 году. Такая машина извлекает энергию из изотермической окружающей среды и преобразует её в работу.

Общий принцип теплового насоса – демона Максвелла («двигатель Сциларда»). Макроскопическая система (компьютер) управляет событиями в микроскопической системе (в реальности – ротор и поле, а условно – комната с молекулами и перегородкой) за счёт получения информации о ней. Энергия в микроскопической системе растёт (и может производить полезную работу), но не вполне бесплатно, поскольку «демон» потребляет энергию на получение информации и управляющие действия (иллюстрация Shoichi Toyabe, Eiro Muneyuki, Masaki Sano/Nature Physics).

Новый эксперимент, утверждают его авторы в статье в Nature Physics, позволил также проверить уравнение Ярзинского (Jarzynski equality), описывающее преобразование информации в энергию. Учёные посчитали, сколько бит содержали кадры с положением ротора, и установили, что при комнатной температуре один бит превращается в 3 х 10 -21 джоулей, в полном соответствии с теорией, — сообщает New Scientist. (Читайте о других экспериментах — с ротаксаном и нанотрубками — в которых наблюдалась аналогия с демоном Максвелла.)



Физик примирил гравитацию и электромагнетизм

12 ноября 2010

Женевский ускоритель создал Большой взрыв в миниатюре

9 ноября 2010

Израильтяне создали самый прочный органический материал

27 октября 2010

Физики впервые отсняли монополи

20 октября 2010

Шатающаяся консоль вырабатывает ток из света

13 октября 2010
  • StaseG   26 марта, 11:46
    Блин, очень полезное изобретение!
    Фактически, можно было бы создать автомобили, самолеты, вертолеты, которые движутся, охлаждая воздух.
    ОтветитьНравится
  • Сергей Скалба  20 октября, 09:57
    Гораздо важнее, что впервые показано, как может происходить материализация информации. Было бы неплохо ввести для таких процессов или объектов специальный термин: «квазифические».

    Впрочем, дело даже не в терминологии. Странно, что эта статья осталась практически не прокомментированной. Ведь речь в ней идет, собственно, о пресловутом соотношении «материи и духа».

    Ну а для науки это особенно актуально:
    Тем самым в естествознании была бы обозначена целая область, не имеющая пока собственного терминологического представительства. Разве что безликое «информационные процессы» и неконструктивное "синергия, диссипативные системы и т.п.

    ОтветитьНравится
  • Алексей Ромчак  13 декабря, 02:50
    Интересная статья. Кстати, а эффект Хилша не является демоном Максвелла?
    ОтветитьНравится
  • Александр Назаров  24 января, 11:26
    Демон Максвелла это вечный двигатель второго рода
    Забавно — оказывается я это предсказал на одном из своих форумов
    www.sciteclibrary.ru/cgi-bin/yabb2/YaBB.pl?num=1193750872/10
    ТЕОРЕМА О НАНО-ВД-2
    В природе не существует абсолютной тишины. Следовательно в жидкостях и газах всегда существуют звуковые волны и колебания определнного спектра. Следовательно создание ВД-2 на НАНОуровне сводится к изобретению и разработке такого наноустройства, которое будет способно аккумулировать и преобразовывать энергию звуковых колебаний среды в другие виды энергии, например в электрическую. Таким образом строго теоретически доказано что на НАНОуровне возможно создание ВД-2.
    ЗАМЕЧАНИЕ
    Данное доказательство возможности создания ВД-2 на НАНОуровне ровным счетом ничего не значит для возможности создания ВД-2 на МАКРОуровне. То-есть данное доказательство не может быть каким-либо основанием для возможности опровержения второго начала термодинамики на МАКРОуровне.
    ОтветитьНравится