Японцы создали демона Максвелла

Демона Максвелла — мысленный эксперимент, покушающийся на второе начало термодинамики — удалось воплотить 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 верх, 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.