Описанный ранее эксперимент продемонстрировал саму возможность технической реализации демона Максвелла, но оставил за скобками важнейший вопрос: как на производительность демона влияет время его реакции. И этот вопрос действительно важен. Систему с действительно мгновенной обратной связью запрещают законы физики -- скорость света конечна, а значит, и информация распространяется между системой и демоном пусть и за маленькое, но ненулевое время. Поэтому мгновенную связь можно рассматривать лишь как приближение в системах, где время реакции демона значительно меньше времени, за которое меняется состояние системы. А значит, для большинства интересных систем учитывать время реакции просто необходимо.
И только недавно проблема задержки была рассмотрена командой из Университетов Вены и Штутгарта. Ученые использовали микрочастицу, которую удерживали с помощью оптического пинцета, пока ее случайным образом толкали молекулы окружающего газа. Демон, реализованный в виде электронной схемы, отслеживал ее положение с помощью оптического сенсора и, по мере необходимости, применял с некоторой задержкой соответствующую силу обратной связи, используя еще один лазер.
Лазерный пинцет ученые реализовали с помощью двух лазеров и фотонно-кристаллического волокна с полой сердцевиной, оптического волокна, оболочка которого имеет структуру двумерного фотонного кристалла, что позволило эффективно сконцентрировать лазерные лучи. Лазеры создают два встречных луча, которые образуют в волокне стоячую электро-магнитную волну, удерживающую кремниевую микрочастицу. Концы волокна помещены в вакуумные камеры, которые обеспечивают контроль давления газа внутри волокна.
Демон наблюдает за частицей с помощью интерферометра и реагирует на изменение ее положения в пространстве с некоторой задержкой, подталкивая частицу по мере необходимости с помощью еще одного лазера. При этом в установке можно менять время реакции демона, что позволяет оценить эффективность его работы в каждом конкретном случае.
В результате ученные смогли исследовать ограничения, которые накладывает на производительность демона замедленная реакция на изменение состояние системы. И, помимо количественных оценок эффективности работы демона в таком режиме, ученые обнаружили интересный эффект, когда при очень большом времени реакции демон может вызвать некоторое дополнительное хаотичное движение частицы, отличное от обычного броуновского.
Работы по реализации демона Максвелла могут показаться непрактичными. Но это далеко не так. Главная цель здесь, конечно же, исследовать ограничения, которые может накладывать обратная связь на термодинамические системы. А к таким системам относится буквально все, чем можно и хочется управлять. Начиная от квантовых компьютеров и заканчивая биологическими роботами. Поэтому понимание работы обратной связи критически важно для дальнейшего развития.
Мне важно Ваше мнение. Если нравится, ставьте лайк, подписывайтесь.
