На первый взгляд, сложно думать об информации, как о топливе, но подобные двигатели были предложены ещё 150 лет назад, просто создавать их научились лишь недавно.
Информационный двигатель — система, преобразующая информацию о термических флуктуациях в механическую энергию. Как это происходит?
Обратимся к мысленному эксперименту, впервые описанному в 1897 году, получившему название «Демон Максвелла».
Для того, чтобы продемонстрировать кажущийся парадокс Второго начала термодинамики, физик Джеймс Максвелл придумал воображаемое разумное существо микроскопического размера.
Этот демон, находясь между двумя половинами сосуда с газом, сортирует подлетающие к нему молекулы по скорости, собирая медленные молекулы в одной половине, а быстрые — в другой.
В итоге, одна часть сосуда охлаждается, а вторая нагревается, при том, что нет дополнительного подвода энергии к системе. Энтропия системы уменьшается без совершения работы над газом и, если на сортировку энергии тратится немного, такая схема фактически приводит к нарушению второго начала термодинамики.
Сам парадокс давно разрешён, но на основе этого мысленного эксперимента удалось создать так называемые «информационные двигатели».
Впервые воплотить этот мысленный эксперимент удалось физикам в 2010 году. Спустя пять лет, демон Максвелла был реализован в виде одноэлектронного транзистора со сверхпроводящими алюминиевыми выводами.
Теперь же учёные постарались увеличить мощность такого устройства. И у них получилось. Мощность недавно продемонстрированного информационного двигателя в 10 раз превосходит ранее созданные аналоги.
Принцип работы их двигателя таков:
коллоидная частица из оксида кремния, соединённая с подвижной платформой, погружена в воду. Она, за счёт тепловых флуктуаций, может перемещаться вверх и вниз. Её верхнее положение фиксируется горизонтальной оптической ловушкой.
Если амплитуда перемещения выходит за определённые пределы, «демон» поднимает вверх платформу, запасая энергию. Получается, что топливо для этой системы — информация о состоянии частицы. Как итог, информация преобразуется в потенциальную энергию за счёт отбора только нужных тепловых флуктуаций.
Увеличить мощности системы физикам помогло интересное открытие, которое они сделали в процессе работы. Несмотря на то, что более тяжёлые частицы накапливают больше энергии, они дольше поднимаются наверх. Зная это, учёные так оптимизировали свойства своего информационного двигателя, что достигли мощности биологических систем (молекулярных моторов в живых клетках и быстро плавающих бактерий).
В теории параметры системы зависят исключительно от её физических характеристик: размера частицы, жёсткости пружины, трения и температуры среды.
Физики заявили, что дальнейшая их работа будет направлена на оптимизацию системы, которая должна привести к уменьшению энтропии и выигрышу в эффективности.
Вот вам и мысленный эксперимент.
1. Работа, о которой речь в публикации.
2. Об одной из более ранних реализаций демона Максвелла.
Подписывайтесь на S&F, канал в Telegram и чат для дискуссий на научные темы.
