Fizycy przekształcają informacje w energię

Oto fascynująca praca. Zbuduj maleńką klatkę schodową i umieść mały styropianowy koralik na dolnym stopniu (schody są dość proste do zbudowania przy użyciu pól elektrycznych).

Łatwo zauważyć, że kulka jest popychana przez losowy ruch cząsteczek w otaczającym powietrzu, dobrze znane zjawisko ruchów Browna.

Przez większość czasu ruchy Browna mają tendencję do zrzucania koralika ze schodów, ale czasami przepychanie jest wystarczająco silne, aby popchnąć koralik o stopień.

Obserwuj uważnie koralik za pomocą kamery wideo i za każdym razem, gdy widzisz, jak podnosi się o stopień, zmieniaj pole elektryczne, aby nie mogło ponownie opaść. To jest jak umieszczanie bariery za koralikiem.

Gdy powtórzysz ten proces, koralik będzie poruszał się po schodach, napędzany ruchem Browna.

To jest dokładnie ten eksperyment, który z powodzeniem przeprowadzili Shoichi Toyabe z Uniwersytetu Chuo w Tokio i kilku kumpli. Wynika z tego, że koralik jest w jakiś sposób w stanie wydobyć energię z otoczenia, co na pierwszy rzut oka wygląda jak rażące naruszenie II zasady termodynamiki.

Oczywiście jest w tym coś więcej, niż się początkowo wydaje. Dzieło Toyabe i spółki to eksperymentalna wersja słynnego demona Maxwella. Wyobraź sobie pudło wypełnione powietrzem, ale podzielone na pół barierą. Demon Maxwella to wyimaginowana istota zdolna do otwarcia bariery, aby przepuścić szybko poruszające się cząsteczki, jednocześnie zamykając ją dla wolniejszych.

W końcu szybko poruszające się cząsteczki kończą po jednej stronie bariery, która staje się gorętsza niż po drugiej stronie, mimo że do układu nie dodano żadnej energii.

Pytanie brzmi, czy demon Maxwella narusza drugie prawo termodynamiki, które mówi, że ciepło nie może samo z siebie płynąć z chłodnego do gorącego układu.

Najnowsze myślenie jest takie, że demon Maxwella nie narusza drugiego prawa termodynamiki, ponieważ musi zmierzyć prędkość wszystkich cząsteczek przed podjęciem decyzji, które przepuścić, a to wymaga energii. Biorąc to pod uwagę, nie ma naruszenia.

Ale oto ciekawa rzecz. Nie ma konwencjonalnego transferu energii do systemu: nie ma ogrzewania lub przyspieszania cząsteczek lub czegoś podobnego. Zamiast tego sama informacja wydaje się być medium, przez które energia jest przekazywana.

Do tej pory takie myślenie było teoretyczną ciekawostką. Toyabe i przyjaciele faktycznie to zrobili, pierwszy eksperymentalny pokaz tego rodzaju transmisji energii. W efekcie przekształcili informacje w energię w tym systemie.

Nie ma tu naruszenia termodynamiki. Ci faceci używają kamery wideo do określenia położenia kulki, więc gdy weźmie się pod uwagę budżet energetyczny kamery, wszystko działa tak, jak przewidują prawa termodynamiki.

Trudno przecenić znaczenie tego, co zrobili: byli w stanie obsługiwać nanomaszynę – koralik do wspinania się po schodach – używając jedynie informacji jako źródła zasilania.

Mówią, że jest to zupełnie nowy typ silnika, który nazywają informacyjno-cieplnym silnikiem i nietrudno sobie wyobrazić jego potencjał.

Oznacza to, że teraz można zasilać nanomaszyny przy użyciu informacji jako medium do przesyłania energii, nawet jeśli nie ma bezpośredniego kontaktu z nanomaszyną.

Teraz zadaniem będzie zmniejszenie systemu czujników. Kamera wideo to niezła rzecz do przewożenia. Wyraźnie przydałoby się znaleźć jakiś mikroskopijny sposób wykrywania środowiska i wykorzystania zebranych informacji do zasilania nanourządzenia.

Nie jest jeszcze jasne, jak można to zrobić, ale możesz założyć się, że Toyabe i koledzy nad tym pracują. Pomysł może nawet wywołać niewielkie zainteresowanie gdzie indziej.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1009.5287 : Informacyjny silnik cieplny: konwersja informacji na energię za pomocą kontroli sprzężenia zwrotnego

ukryć