Информационный двигатель: Без топлива

Ученые заставили наноразмерный объект карабкаться вверх по лестнице, в качестве источника энергии используя... информацию.
Информационный двигатель: Без топлива

Соорудите крохотную молекулярную лестницу, стабилизируйте ее во внешнем электромагнитном поле, колеблющемся с частотой 1 МГц. Поместите на ступеньку крохотную (меньше 300 нм в диаметре) сферу из полистирола — обычного пластика, из которого делают баночки для йогуртов. Если сфера будет достаточно мала, она будет колебаться под ударами хаотично движущихся окружающих молекул. Как правило, в результате сфера будет падать на ступеньку вниз, хотя в некоторых случаях воздействие сможет перебрасывать ее на верхнюю ступеньку. Теперь начинается главное.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Внимательно следите за сферой с помощью видеокамеры (с частотой 1,1 мс и выдержкой 0,3 мс). Каждый раз, когда она будет подниматься вверх, слегка меняйте характеристики внешнего поля, так, чтобы создавать сфере препятствие для спуска. Упрощенно говоря, одна ориентация поля позволяет сфере двигаться с нечетной ступеньки на четную, а другая — с четной на нечетную. Просто меняя эту ориентацию, можно «подсказывать» сфере направление движения. Повторяйте это раз за разом — и сфера будет подниматься по лестнице под действием броуновского движения, не требуя никакого собственного двигателя и, соответственно, источника энергии.

Такой эксперимент продемонстрировали токийские ученые во главе с Шоичи Тоябе (Shoichi Toyabe). Сфера действительно поднималась вверх, словно поглощая энергию окружающих молекул. Казалось бы, это нарушает Второе начало термодинамики, запрещающее передачу тепла (энергии движения частиц) от более холодного тела к более горячему — иначе говоря, постулирующее неубывание энтропии в замкнутой системе. Но если разобраться в вопросе повнимательней, это не совсем так.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Построенная японцами система, на самом деле, представляет собой реализацию знаменитого мысленного эксперимента с демоном Максвелла. Возьмем наполненный газом сосуд, разделенный перегородкой. В ней имеется отверстие, а у отверстия сидит демон, умозрительное устройство, которое позволяет пролетать быстрым молекулам горячего газа только в одном направлении, а медленным молекулам холодного газа — только другом. Через некоторое время работы демона все «горячие» молекулы окажутся в одной половине сосуде, а «холодные» — в другой.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Казалось бы, это позволяет нагреть одну половину сосуда и охладить другую, что приведет к понижению энтропии в системе. Только за счет собственного движения молекулы разделятся на «горячие» и «холодные». Но парадокса здесь нет: на самом деле, система не замкнута, поскольку для работы демона ему придется проводить замеры скорости движения отдельных молекул. А это требует передавать ему энергию извне, которая и способна обеспечить убывание энтропии.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Оригинальную модификацию этого эксперимента в 1920-х предложил крупный физик и соратник Эйнштейна Лео Силард. Представим, что сосуд представляет собой цилиндр, с двух сторон закрытый подвижными поршнями. Он по-прежнему разделен перегородкой, которую сторожит демон, но внутри сосуда имеется всего одна молекула. Получается т.н. «машина Силарда».

Пусть демон закроет перегородку; молекула, соответственно, окажется запертой в одной из половин цилиндрического сосуда. Теперь демон давит на поршень второй половины: раз там нет ни одной молекулы, для этого нам не потребуется энергии вовсе (напомним, что эксперимент мысленный, и сам поршень в расчет мы не принимаем). После того как он снова откроет перегородку, давление молекулы станет возвращать этот поршень обратно. При этом работа совершается — казалось бы, мы снова пришли к нарушению термодинамических законов...

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Но Силард сам предложил разрешение этого парадокса. Дело в том, что для того, чтобы узнать, в какой из половин сосуда оказалась молекула — и, соответственно, на какой поршень давить — демону нужна информация. В данном случае, всего один бит, но этот бит все меняет. Получение информации в любом случае либо нарушает замкнутость системы (ее можно подать извне), либо требует затрат энергии самим демоном (впрочем, и энергию можно подать извне). Первый вариант нам интересен в данном случае.

Вернувшись к нашей лестнице и полистироловой сфере, заметим, что, поднимаясь вверх, сфера не получает извне энергии ни в виде тепла, ни в какой иной обычной форме. Вместо этого энергия передается в виде информации. И уже эта информация оказывается внутри системы энергией, движущей сферу по лестнице. Если говорить «журналистским языком», японцам впервые удалось создать «информационный двигатель».

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Опять же, никакого нарушения незыблемых законов термодинамики тут не происходит. Система не замкнута лестницей, сферой и броуновским движением окружающих молекул. Для полного энергетического бюджета придется принять во внимание, скажем, работающую видеокамеру, генератор электромагнитного поля, да и компьютер, контролирующий весь процесс. Но дело не в этом.

Технически система демонстрирует совершенно уникальное решение для управления движением наноразмерных объектов, потенциал которого огромен. Вполне вероятно, что именно таким способом — информационным — в будущем мы будем контролировать перемещение нанороботов, скажем, в нашем организме, чтобы те занимались его «починкой». Конечно, до этого момента еще далеко, для начала надо как-то отказаться от следящей за объектом камеры и найти другой способ получать информацию о его положении. Но первый шаг — налицо.

По публикации physics arXiv blog