В центре Токио обнаружен демон Максвелла

Японские физики подлили масла в огонь незатухающих больше века споров о том, возможно ли получение энергии из равновесных термодинамических систем. Этот вопрос будоражит умы физиков-теоретиков с XIX века, с тех пор, когда Джеймс Максвелл показал статистическую природу второго начала термодинамики. Этот закон гласит, что невозможен самопроизвольный переход тепла от менее нагретого тела к более нагретому.

Демон Максвелла

Яркой иллюстрацией закона стало представление о невозможности существования так называемого демона Максвелла — гипотетического разумного существа, придуманного самим ученым. Мысленный эксперимент Максвелла прост: представим сосуд с газом, разделенный на две части непроницаемой перегородкой с маленькой дверкой. По замыслу Максвелла демон должен оценивать скорость подлетающих к клапану молекул, открывать его перед быстрыми и закрывать перед медленными. Таким образом, по идее, в одной части сосуда должны собраться горячие молекулы, а в другой – холодные.

В таком случае сосуд превратился бы в классический тепловой двигатель с нагревателем и холодильником, готовый в любой момент совершить работу.

Однако это противоречит второму закону термодинамики, гласящему, что энтропия (мера упорядоченности) замкнутой системы может изменяться только в сторону увеличения. Чтобы узнать скорость молекулы, демону обязательно придется отнять ее часть энергии, увеличив при этом энтропию системы.

Японский демон

Группа японских ученых под руководством Шоичи Тоябе из университета Чуо (Токио) изобрела аналог демона Максвелла, измеряющего не скорость, а положение частиц в потенциальном поле. Чтобы понять принцип его работы, они предложили провести другой мысленный эксперимент. Пусть в каком-либо потенциальном поле имеется вертикальная микроскопическая лестница, посередине которого находится частица. Находясь в жидкой среде, частица принимает участие в броуновском движении, оказываясь в разных точках пространства. Благодаря наличию силового поля вероятность соскочить на одну ступеньку у частицы всегда выше, чем вероятность подняться. Ученые придумали, как отслеживать такие события при помощи микроскопической камеры. Камера (или электронный микроскоп) позволяют реализовать систему с обратной связью. Увидев «заскок», камера заставляет срабатывать барьер, запирающий частицу в верхнем положении. Таким способом можно заставить частицу шаг за шагом увеличивать свою потенциальную энергию, прилагая к этому сколь угодно малые затраты со стороны «демона». «Система с обратной связью позволяет отбирать только те флуктуации, в которых на микромасшабе нарушается второй закон — когда частица прыгает вверх», — пояснили ученые.

Для этого эксперимента ученые использовали двумерную частицу, состоящую из шариков полистирола диаметром 287 нанометров. Частицу поместили в раствор так, что один ее конец оказался закрепленным у неподвижной стенки, а другой остался свободным, так что частица могла вращаться. Далее частицу поместили в электрическое поле, синусоидально изменяющееся с частотой в 1 МГц. При помощи модуляции поля частица каждый раз оказывалась на ступеньке между соседними гребнями синусоиды. При этом разница потенциала между двумя соседними ступеньками равнялась средней энергии движения частицы (kT). При помощи электронного микроскопа ученые периодически фиксировали положение частицы, и, в случае ее появления на ступень выше предыдущего положения, все тем же полем ставили перед ней энергетический барьер.

Термоинформационный мотор

«Поиграв» с частотой фиксации положения, ученые выяснили, что при определенном режиме частица уверенно ползет вверх, увеличивая потенциальную энергию. Таким способом впервые удалось конвертировать информацию (данные о местоположении отдельно взятой частицы) в увеличение ее свободной энергии. «В нашей системе демон состоит из макроскопических приборов, таких, как компьютер, при этом микроскопический прибор получает энергию за счет энергии макроскопического объекта. Другими словами, преобразование информации в энергию способно сообщать энергию для наномашин, даже если управлять ими напрямую невозможно», — пояснили в своей работе ученые. При этом внутри системы, состоящей из частицы и самого демона, отмечают исследователи, второе начало термодинамики не нарушается. По словам ученых, предметом дальнейшего исследования должен стать молекулярный наномотор, в котором демон и система обратной связи будут микроскопическими. Работа ученых опубликована в журнале Technology Review.