Entsüklopeediline YouTube
1 / 5
✪ Maxwelli deemon
✪ Maxwelli deemon
✪ Teadussaade. Väljaanne nr 58. Teoreetilise füüsika kaks deemonit
✪ Teadussaade. Väljaanne 50. Visualiseerimine füüsikas
✪ Teadussaade. Väljaanne nr 63. Suure Paugu teooria edusammud
Subtiitrid
Termodünaamika teise seaduse kohaselt suureneb universumi entroopia pidevalt. Seega, kui universumis toimub mis tahes protsess, on entroopia alati suurem kui 0 või sellega võrdne. Ja eelmises videos saime teada, et sellel võib olla palju erinevaid tagajärgi. Sõltumata sellest, kuidas te entroopiat mõistate – konstantina, mis on korrutatud olekute arvu loomuliku logaritmiga, mida teie süsteem suudab vastu võtta, või kui süsteemi soojust, mis on jagatud temperatuuriga, mille juures see lisatakse –, on mõlemad kirjeldused koos teiseks ütleb meile termodünaamika seadus: kui kuum keha on külma keha kõrval - ütleme... Joonistame. See on T1 ja see on T2 - siis kandub soojus kuumalt kehalt külmale. Näitasime seda viimases videos, kasutades matemaatilisi arvutusi. Soojus kandub üle selles suunas. Üks eelmist videot kommenteerinud inimestest kirjutas: "Kas saaksite mulle rääkida Maxwelli deemonist?" ma ütlen sulle! Sest see on väga huvitav mõtteeksperiment, mis näib kõnealust põhimõtet ja termodünaamika teist seadust ümber lükavat. Ja selle nimi on väga huvitav - “Maxwelli deemon”. Kuid ilmselt ei nimetanud teda "deemoniks" mitte Maxwell, vaid Kelvin. Tead, need tüübid olid kõigest huvitatud. Niisiis, Maxwelli deemon. See on sama Maxwell, kelle järgi kuulus võrrand on nime saanud, nii et teda huvitasid paljud asjad. Muuhulgas oli ta esimene inimene, kes lõi värvilise pildi. Ja 19. sajandi keskel. Niisiis, siin on meil väga läbinägelik teadlane. Aga mis on Maxwelli deemon? Mida me mõtleme, kui ütleme, et mõnel kehal on kõrgem temperatuur kui teisel? Me mõtleme seda, et selle keha molekulide keskmine kineetiline energia, mis siin põrkuvad... et nende molekulide keskmine kineetiline energia... on kõrgem kui siinsete molekulide keskmine kineetiline energia. Pange tähele, et ma ütlesin keskmise kineetilise energia. Ja me rääkisime sellest rohkem kui korra. Temperatuur on makrostaat. Teame, et mikrotasandil on kõik need molekulid erineva kiirusega. Nad põrkuvad üksteisega, kandes liikumise inertsi üksteisele üle. See võib selles suunas väga kiiresti liikuda. Kuid see võib liikuda üsna aeglaselt. See võib niimoodi väga kiiresti liikuda. Kuid see võib liikuda üsna aeglaselt. See kõik on üsna segane. Kuid me saame joonistada jaotusgraafiku. Kui teate kõige mikroolekuid, saate joonistada väikese histogrammi. T1 kohta võime öelda... Oletame, et kasutame Kelvini skaalat. Vaata, siin on minu keskmine temperatuur, aga mul on ka üldine osakeste jaotuse graafik. See tähendab, et see on osakeste arv. Ja ma ei ehita siin mingit mõõtkava. Sa saad põhiidee. Seega on mul palju osakesi, mis moodustavad T1, kuid mul on ka teatud osakesi, mis võivad olla absoluutsele nullile väga lähedased. Muidugi jääb neid väheks, aga siiski. See tähendab, et teil on hulk, mis on tõenäoliselt T1, ja osakeste kogum, mille kineetiline energia võib olla suurem kui T1. Keskmisest kõrgem kineetiline energia. Võib-olla me räägime sellest. Võib-olla on see osake, millel kineetiline energia praktiliselt puudub. See tähendab, et meil on peaaegu täiesti liikumatu osake, mis seisab ühes kohas. Siin on osakeste jaotuse üldine graafik. Samamoodi on selles süsteemis T2 molekulidel keskmiselt madalam kineetiline energia. Kuid seal võib olla üks osake, millel on väga kõrge kineetiline energia. Kuid enamikul neist on keskmiselt madalam energia. Nii et kui joonistame T2 jaotuse, on meie keskmine kineetiline energia madalam, kuid graafik näeb tõenäoliselt välja umbes selline. Ei ole tegelikult. Las ma teen täpsema joonise. Niisiis, nende kahe süsteemi vahel... Oletame, et need on isoleeritud. Oletame, et nad on üksteisest eraldatud. Siin on T1 paljude erineva kineetilise energiaga osakestega. Ja siin on T2. Ma teen need eraldi ja võib-olla on need ühendatud ainult siin. T2. Nendel meestel on aeglasem kineetiline energia. Ja Maxwell ütles oma väikese mõtteeksperimendi läbiviimisel: "Kujutage ette, et mul on keegi, kes vastutab ühe lünka eest – oletame, et see – ja ta kontrollib seda." Ja alati, kui mõni tõeliselt kiire osake T2-st, üks neist, läheneb lüngale - see lendab selle poole - ütleme, siin see on... Ja see osake liigub väga kiiresti. Sellel on väga kõrge kineetiline energia ja see sobib suurepäraselt meie lünka. Ja siis deemon ütleb: "Hei, ma näen seda asja. Ta suundub minu augu poole." Deemon avab oma luugi ja laseb sellel osakesel siseneda T1-sse. Ja kui deemon avab oma luugi, jätkab see osake oma liikumist ja jõuab T1-sse. Deemon sulgeb luugi uuesti: ta tahab, et kiired osakesed liiguksid T2-st T1-sse. Kui ta näeb, et tema poole tuleb aeglane osake, üks neist, avab ta oma augu uuesti ja laseb osakesel sisse pääseda. See läheb umbes nii. Ja kui see jätkub, siis kuidas see kõik lõpeb? Noh, lõpuks tuleb lahkuminek - ja see võib võtta aega. Kuid eraldumine mõjutab kõiki aeglaseid osakesi... Las ma joonistan selle. Meie piir saab olema pruun, sest praegu pole päris selge, kus kõik on... suurepärane... Räägime sellest veidi lähemalt. Nii et siin on piir. Kuid selles on lünk. Mis saab lõpuks? Kõik kiired osakesed... mõned neist olid juba T1-s, eks? Mõned kiired osakesed, mis olid algselt T1-s, jäävad endiselt sellel pool barjääri. Joonistame nii: peamine on mitte midagi segi ajada. Nii et nüüd jäävad siia kinni ka kõik T2 kiired osakesed. Sest lõpuks jõuavad nad kõik meie lüngale lähemale, kui me piisavalt kaua ootame. Seega koguneb ka siin palju osakesi, mis olid algselt T2-s. Nii et meil on siin palju kiireid osakesi. Samuti jäävad kõik aeglased T2 osakesed teisele poole. Siin nad on, need aeglased osakesed. Ja deemon laseb sisse kõik aeglased T1 osakesed – ma ei nimeta neid enam isegi T1 osakesteks. Ma nimetan neid osakesteks 1. Niisiis, deemon laseb osakesed 1 siia sisse. Aeglased osakesed 1. Mis siin juhtus? See oli kuum keha, aga see on külm. Termodünaamika teise seaduse kohaselt peab soojus liikuma siit siia. Sel juhul peaks temperatuur muutuma ligikaudu võrdseks. See tähendab, et kuum keha peaks muutuma külmemaks ja külm keha kuumemaks. Temperatuur muutub keskmiseks. Aga mida meie väike deemon tegi? Ta tegi kuuma keha veelgi kuumemaks, eks? Nüüd on siinne keskmine kineetiline energia veelgi suurem. Deemon liigutas kõik need suure kineetilise energiaga osakesed siia, nii et nüüd näeb see graafik välja... Midagi sellist, mis näeks välja, kui sa liiguksid kõik need osakesed siia... Jaotusgraafik näeb nüüd välja umbes selline. Proovime... T1 puhul näeb see välja selline. Mis puutub T2-sse... deemon võttis siit kõik kuumad ja T1-st külmad. Sellest tulenevalt kaovad need poisid. Neid ei ole enam siin. Ja ta lisas need T2-sse. Niisiis, T2 jaotusgraafik näeb välja selline, loomulikult kustutame selle. Deemon võttis need tüübid T2-st. Kustutame selle kõik ära. See oli T1 vana jaotusskeem. Nii et T2 jaotusgraafik näeb nüüd välja umbes selline. Ja T2 uus keskmine on ilmselt midagi sellist. See on minu uus T2 süsteem. Ja minu uus T1 süsteem liigub veidi paremale. Keskmine tuleb kõrgem. Niisiis, meie deemon rikkus ilmselt termodünaamika teist seadust. Teeme selle kõik kokku. Minu väikesed diagrammid kattuvad üksteisega. See näide näitab, et kuum keha on muutunud veelgi palavamaks ja külm keha veelgi külmemaks. Nii et Maxwell näib meile ütlevat: "Jah, me oleme rikkunud termodünaamika teist seadust." Ja teadlased on selle üle hämmingus juba mitu aastat. Isegi kahekümnendal sajandil mõtlesid mõned jätkuvalt, mis on valesti. Aga mis siin valesti on... Ja ma tõestan seda teile matemaatiliste arvutuste abil... See on peaaegu sama, mis külmiku puhul. Meil on mingi deemon, kes avab väikese lünga, kui see on mugav. Siin see on, see on deemon. Kui kiired osakesed liiguvad siit või aeglased osakesed siit... Et seda õigesti teha, peab ta jälgima, kus kõik osakesed asuvad. See peab jälgima kõiki osakesi. Ja need pole mingid makroosakesed. Need on mikromolekulid või aatomid. Deemon peab arvestama elektronidega, mida saab näha ainult spetsiaalse mikroskoobiga. Ja samal ajal peab ta jälgima seda lugematut arvu osakesi. Lihtsalt mõtle selle peale!
Paradoksi olemus
2010. aastal suutsid Chuo ülikooli (Jaapanlased) füüsikud mõtteeksperimendi reaalsuses ellu viia. 中央大学 ) ja Tokyo ülikool
2015. aastal rakendati autonoomne tehislik Maxwelli deemon ülijuhtivate alumiiniumjuhtmetega üheelektronilise transistori kujul. Selline seade võimaldab teil lühikese aja jooksul läbi viia suure hulga mõõtmistoiminguid.
Maxwelli paradoksi seletus
Maxwelli paradoksi lahendas esmakordselt Leo Szilard 1929. aastal järgmise analüüsi põhjal.
Deemon peab kasutama molekulide kiiruste hindamiseks mingit mõõteseadet, näiteks taskulampi. Seetõttu on vaja arvestada konstantsel temperatuuril gaasist koosneva süsteemi entroopiat T 0 , (\displaystyle T_(0),) deemon ja taskulamp, sealhulgas laetud aku ja lambipirn. Aku peab kuumutama taskulambi hõõgniidi kõrge temperatuurini T 1 > T 0 , (\displaystyle T_(1)>T_(0),) et saada energiaga valguskvante ℏ ω 1 > T 0 (\displaystyle \hbar \omega _(1)>T_(0)) selleks, et soojuskiirguse taustal koos temperatuuriga valguskvante ära tunda
Deemoni puudumisel energiat E (\displaystyle E), mida kiirgab lambipirn temperatuuril T 1 (\displaystyle T_(1)) neeldub temperatuuril gaasi T 0 (\displaystyle T_(0)) ja üldine entroopia suureneb: Δ S = E T 0 − E T 1 > 0, (\displaystyle \Delta S=(\frac (E)(T_(0)))-(\frac (E)(T_(1)))>0,) sest ℏ ω 1 T 0 > 1 , (\displaystyle (\frac (\hbar \omega _(1))(T_(0)))>1,) A p Ω 0 ≪ 1. (\displaystyle (\frac (p)(\Omega _(0)))\ll 1.)
Deemoni juuresolekul on entroopia muutus järgmine: Δ S = ℏ ω 1 T 0 − p Ω 0 > 0. (\displaystyle \Delta S=(\frac (\hbar \omega _(1))(T_(0)))-(\frac (p)( \Omega _(0)))>0.) Siin tähendab esimene termin entroopia suurenemist, kui taskulambi kiirgav valguskvant tabab deemoni silma, ja teine termin tähendab entroopia vähenemist süsteemi statistilise kaalu vähenemise tõttu. Ω 0 (\displaystyle \Omega _(0)) summa järgi p , (\displaystyle p,) mis viib entroopia vähenemiseni summa võrra Δ S s = S 1 − S 0 = ln (Ω 0 − p − ln Ω 0 ≈ − p Ω 0 . (\kuvastiil \Delta S_(s)=S_(1)-S_(0)=\ln) (\Omega _(0)-p-\ln \Omega _(0)\umbes -(\frac (p)(\Omega _(0))).)
Vaatame seda protsessi lähemalt. Olgu gaasi sisaldav anum jagatud kaheks osaks A (\displaystyle A) Ja B (\displaystyle B) temperatuuridega T B > T A, T B − T A = Δ T, T B = T 0 + 1 2 Δ T, TA = T 0 - 1 2 Δ T. (\displaystyle T_(B)>T_(A),\quad T_(B)-T_(A)=\Delta T,\quad T_(B)=T_(0)+(\frac (1)(2) )\Delta T,\quad T_(A)=T_(0)-(\frac (1) (2))\Delta T.) Oletame, et deemon valib kiiresti liikuva kineetilise energiaga molekuli 3 2 T (1 + ϵ 1) (\displaystyle (\frac (3) (2))T(1+\epsilon _(1))) madala temperatuuriga piirkonnas A (\displaystyle A) ja suunab selle piirkonda B. (\kuvastiil B.) Pärast seda valib ta välja aeglaselt liikuva kineetilise energiaga molekuli 3 2 T (1 − ϵ 2) (\displaystyle (\frac (3) (2))T(1-\epsilon _(2))) kõrge temperatuuriga piirkonnas B (\displaystyle B) ja suunab selle piirkonda A. (\displaystyle A.)
Nende kahe molekuli eelvalimiseks vajab deemon vähemalt kahte valguskvanti, mis viib tema silma sisenemisel entroopia suurenemiseni Δ S d = 2 ℏ ω 1 T 0 > 2. (\displaystyle \Delta S_(d)=2(\frac (\hbar \omega _(1))(T_(0)))>2.)
Molekulide vahetus viib kogu entroopia vähenemiseni Δ S m = Δ Q (1 T B − 1 TA) ≈ − Δ Q Δ T T 2 = − 3 2 (ϵ 1 + ϵ 2) Δ T T. (\displaystyle \Delta S_(m)=\Delta Q\left((\frac (1)(T_(B)))-(\frac (1)(T_(A)))\parem)\umbes -\ Delta Q(\frac (\Delta T)(T^(2)))=-(\frac (3)(2))\left(\epsilon (1)+\epsilon _(2)\right)(\ frac (\Delta T)(T)). Kogused ϵ 1 (\displaystyle \epsilon (1)) Ja ϵ 2 , (\displaystyle \epsilon (2),) suure tõenäosusega väike Δ T ≪ T (\displaystyle \Delta T\ll T) ning seetõttu Δ S m = − 3 2 ν , ν ≪ 1. (\displaystyle \Delta S_(m)=-(\frac (3)(2))\nu ,\quad \nu \ll 1.)
Seega on entroopia kogumuutus Δ S = Δ S d + Δ S m = 2 ℏ ω 1 T 0 − 3 2 ν > 0. (\displaystyle \Delta S=\Delta S_(d)+\Delta S_(m)=2(\frac () \hbar \omega _(1))(T_(0)))-(\frac (3) (2))\nu >0.)
Deemoni temperatuur võib olla palju madalam kui gaasi temperatuur T d ≪ T 0 . (\displaystyle T_(d)\ll T_(0).) Samal ajal suudab see energiaga valguskvante vastu võtta ℏ ω (\displaystyle \hbar \omega ), mida kiirgavad gaasimolekulid temperatuuril T0. (\displaystyle T_(0).) Siis saab ülaltoodud arutluskäiku korrata tingimuste asendamisega T 1 > T 0, ℏ ω 1 > T 0 (\displaystyle T_(1)>T_(0),\quad \hbar \omega _(1)>T_(0)) tingimustel T 2<
T
0
,
ℏ
ω
1
>T2. (\displaystyle T_(2)
Populaarses kultuuris
Ilukirjanduses
- Vendade Strugatskite loos “Esmaspäev algab laupäeval” kohandab instituudi administratsioon Maxwelli deemoneid instituudi sissepääsuuste avamiseks ja sulgemiseks.
- Sergei Snegovi jutustuses “Õigus otsida” nimetati üht tegelast “Maxwelli deemonite isand” “...miks ma kannan kummalist hüüdnime Deemon Lord? Loomulikult parandasin: mitte Deemon Lord üldiselt, vaid Maxwelli Deemon Lord... Mul õnnestus Maxwelli geniaalne idee tegelikult ellu viia.
- Stanisław Lemi raamatus "Küberiad" nimetatakse Maxwelli deemonit "esimest tüüpi deemoniks". Raamatu tegelased loovad "teist tüüpi deemoni", mis on võimeline õhumolekulide liikumisest tähenduslikku teavet ammutama.
Mõtteeksperiment on järgmine: oletame, et gaasiga anum jaotatakse läbimatu vaheseinaga kaheks osaks: paremale ja vasakule. Vaheseinas on seadmega auk (nn Maxwelli deemon), mis laseb kiiretel (kuumadel) gaasimolekulidel lennata ainult anuma vasakust servast paremale ja aeglastel (külmadel) molekulidel ainult anumast. laeva parem pool vasakule. Siis satuvad pika aja möödudes “kuumad” (kiired) molekulid paremasse anumasse ja “külmad” “jäävad” vasakpoolsesse anumasse.
Seega selgub, et Maxwelli deemon võimaldab soojendada laeva paremat külge ja jahutada vasakut ilma süsteemi täiendava energiavarustuseta. Anuma paremast ja vasakpoolsest osast koosneva süsteemi entroopia on algolekus suurem kui lõppseisundis, mis on vastuolus suletud süsteemide termodünaamilise entroopia mittekahaneva põhimõttega (vt termodünaamika teist seadust)
Paradoks lahendatakse, kui mõelda suletud süsteemile, mis hõlmab Maxwelli deemonit ja anumat. Selleks, et Maxwelli deemon toimiks, tuleb sellele energiat üle kanda kolmanda osapoole allikast. Tänu sellele energiale toimub kuumade ja külmade molekulide eraldumine anumas, st üleminek madalama entroopiaga olekusse. Deemoni mehaanilise rakendamise paradoksi (põrk ja käpp) üksikasjalik analüüs on esitatud Feynmani füüsika loengutes, vol. 4, samuti Feynmani populaarsetes loengutes "Füüsikaliste seaduste olemus".
Infoteooria arenedes leiti, et mõõtmisprotsess ei pruugi viia entroopia suurenemiseni eeldusel, et see on termodünaamiliselt pöörduv. Sel juhul peab deemon aga mäletama kiiruste mõõtmise tulemusi (nende kustutamine deemoni mälust muudab protsessi pöördumatuks). Kuna mälu on piiratud, siis teatud hetkel on deemon sunnitud kustutama vanad tulemused, mis lõpuks viib kogu süsteemi kui terviku entroopia suurenemiseni.
Jaapani füüsikute edu
Jaapani füüsikud suutsid esimest korda katseliselt saavutada süsteemi siseenergia tõusu, kasutades ainult teavet selle oleku kohta ja andmata sellele täiendavat energiat.
Infost energia genereerimist kirjeldas esmakordselt teoreetiliselt Briti füüsik James Maxwell oma mõtteeksperimendis. Selles valvas kahe toa vahelist ust olend, keda hiljem nimetati "Maxwelli deemoniks". Deemon, teades uksele läheneva molekuli energiat, avab läbipääsu ainult “kiiretele” molekulidele, sulgedes ukse “aeglaste” ees. Selle tulemusena on kõik "kiired" molekulid ühes ruumis ja kõik aeglased teises ruumis ning tekkivat temperatuurierinevust saab kasutada praktilistel eesmärkidel.
Sellise “deemonliku” elektrijaama rakendamine nõuab palju suuremaid energiakulusid, kui tekkivast temperatuurierinevusest välja saab, nii et sellel põhimõttel töötavaid tõelisi mootoreid pole teadlased kunagi tõsiselt kaalunud. Huvi selliste süsteemide vastu on aga viimasel ajal nanotehnoloogia arenguga uuesti esile kerkinud.
Uuringu autorid, Jaapani füüsikud eesotsas Masaki Sanoga Tokyo ülikoolist, viisid ellu mõtteeksperimendi, milles osales "Maxwelli deemon".
Teadlased kasutasid umbes 300 nanomeetri suurust polümeerobjekti, mis meenutas helmest. Selle kuju on valitud nii, et päripäeva pöörlemine on talle energeetiliselt kasulikum, kuna sellega kaasneb mehaanilise energia vabanemine. Vastupäeva pöörlemine, vastupidi, viib helme "väänamiseni" ja sellesse salvestatud mehaanilise energia suurenemiseni.
Helmes asetati spetsiaalsesse lahusesse ning see hakkas oma väiksuse tõttu osalema Browni liikumises ja pöörlema – nii päri- kui vastupäeva.
Teadlased kasutasid spetsiaalseid seadmeid, et jälgida helme iga pööret, ja kui see pöörles vastupäeva, rakendasid nad anumale, milles see asus, elektripinget. See toiming ei andnud süsteemile täiendavat energiat, kuid samal ajal ei võimaldanud see helmel tagasi "lahti kerida". Seega, kasutades ainult teavet selle kohta, kuhu rant pöördus, suutsid teadlased suurendada selle mehaanilist energiat ainult tänu molekulide Browni liikumise energiale.
Energia jäävuse seadust ei rikuta. Sano arvutuste kohaselt oli nende katses teabe energiaks muundamise efektiivsus 28%, mis on kooskõlas teoreetiliste arvutustega.
Sellist mehhanismi saaks kasutada nanomasinate või molekulaarsete mehhanismide käitamiseks, ütleb Sano katses mitte osalenud Oxfordi ülikooli füüsik Vlatko Vedral, kelle arvamust tsiteerib veebiväljaanne Nature News.
"Oleks väga huvitav avastada selle energiaülekande põhimõtte kasutamist elussüsteemides," lisas teadlane.
Vastas MIPT kvantinformatsiooni teooria laboratooriumi ja L.D. nimelise teoreetilise füüsika instituudi juhtivteadur. Landau RAS Gordey Lesovik:
— Vastavalt termodünaamika teise seaduse ühele sõnastusele liigub soojus kuumalt kehalt külma. See on tavaline ja arusaadav nähtus. Aga kui käivitada Maxwelli deemon suletud süsteemi (arvatakse, et see suurendab süsteemi korra astet), siis on see võimeline rikkuma asjade loomulikku järjekorda ja kõrvaldama häireid, kui soovite. See peegeldab suure energiaga aatomeid või molekule, muudab voogusid ja käivitab seeläbi süsteemis täiesti erinevad protsessid. Sarnast protsessi saab läbi viia ka meie kvantseadme abil.
Maxwelli deemoni skemaatiline esitus. Foto: Commons.wikimedia.org
Oleme näidanud, et kuigi kvantmehaanika üldiselt tagab täpselt selle väga klassikalise termodünaamika seaduse ja asjade loomuliku järjekorra, on võimalik kunstlikult luua tingimusi, mille korral seda protsessi häirida. See tähendab, et nüüd on Maxwelli kvantdeemon – teisisõnu tehisaatom (seda nimetatakse tavaliselt kubiidiks, st kvantbitiks) on võimeline tagama, et soojus kandub külmalt objektilt kuumale objektile, mitte vastupidi. . See on meie töö peamine uudis.
Lähiajal plaanime luua kvantkülmiku, milles looduslikke soojusvooge eksperimentaalselt ümber pöörame. Samal ajal ei suuda meie superkülmik energiat kulutada transformatsioonidele ise, vaid (teatud mõttes) ammutada seda allikast, mis võib asuda sellest mõne meetri kaugusel. Sellest vaatenurgast on meie kvantkülmik (kohalikult) absoluutselt energiasäästlik. Arusaamatuste vältimiseks on oluline rõhutada, et kui võtta arvesse kaugenergiaallikat, taastub termodünaamika teise seaduse kehtivus ning maailmakord tervikuna ei rikuta.
Mis puudutab Maxwelli kvantdeemoni rakendusala, s.o. meie seade, siis esiteks on see muidugi kvantmehaanika valdkond. No näiteks tavaline arvuti kuumeneb tihti töö käigus, sama juhtub ka kvantseadmetega, ainult et seal on need protsessid normaalse töö jaoks veelgi kriitilisemad. Saame neid või üksikuid mikrokiipe jahutada. Nüüd õpime seda tegema peaaegu 100% efektiivsusega.
Ja loomulikult võimaldavad sellised katsed tulevikus rääkida teist tüüpi igiliikuri loomisest. Akusid pole vaja, mootor saab energiat ammutada lähimast termoreservuaarist ja kasutada seda mõne nanoseadme liigutamiseks.
Teist tüüpi igiliikur on masin, mis liikuma pannes muudaks tööks kogu ümbritsevatest kehadest eraldatud soojuse. Termodünaamika seaduste järgi peetakse seda siiani teostamatuks ideeks.
Soome, Venemaa ja USA füüsikud on Maxwelli autonoomse elektrondeemoni teerajajaks. Autorid avaldasid oma uurimistöö tulemused ajakirjas Physical Review Letters. Mis on Maxwelli deemonid ja kuidas need võivad arvutite tööd segada, ütleb Lenta.ru.
Intriigid Maxwelli deemonite ümber on teaduses kestnud 150 aastat. Üleloomuliku olendi kontseptsiooni pakkus 1867. aastal välja Briti füüsik James Clerk Maxwell. Me räägime teatud seadmest, mis toimib nii, et see viib (ilmselt) termodünaamika teise seaduse - ühe kõige fundamentaalsema loodusseaduse - rikkumiseni.
Maxwell võttis oma mõtteeksperimendis kinnise gaasiballooni ja jagas selle väikese luugiga siseseinaga kaheks osaks. Luuki avades ja sulgedes eraldab Maxwelli deemon kiired (kuumad) ja aeglased (külmad) osakesed. Selle tulemusena tekib silindris temperatuuride erinevus ja soojus kandub külmemalt gaasilt kuumemale, mis näib olevat vastuolus termodünaamika teise seadusega.
Termodünaamika teine seadus määrab füüsikaliste protsesside suuna. Eelkõige, nagu näitas saksa füüsik Rudolf Clausius, muudab see võimatuks soojuse spontaanse ülekandumise (st ilma tööd tegemata) külmemalt kehalt kuumemale või, mis on sama, entroopia vähenemise (a. isoleeritud süsteemi häire mõõt). Prantslase Sadi Carnot sõnastuses kõlab see seadus nii: sajaprotsendilise kasuteguriga soojusmasin on võimatu.
Termodünaamika teine seadus sõnastati lõplikult 19. sajandil. Siis oli see seadus mitmete erijuhtumite jaoks (selle põhimõtteline olemus selgus hiljem). Füüsikud otsisid selles vastuolusid ja üht neist (koos universumi termilise surmaga) esitas Maxwell oma kolleegile Peter Tate'ile saadetud kirjas.
Paradoks tõmbas kohe teadlaste ja teadussõprade tähelepanu. 20. sajandil varjutas Maxwelli deemoni kuulsuse Schrödingeri kass (või kass). Vahepeal, nagu kvantmehaanika lemmikloom, oli Briti füüsiku deemon paljude oluliste avastuste allikas. Eelkõige tänu temale tekkis teabe termodünaamiline teooria ja sellega seotud teabe entroopia idee.
1960. aastatel sõnastas tema nime kandva põhimõtte Ameerika ettevõtte IBM (International Business Machines) teadlane Rolf Landauer. Ta seostas teabe kadumise mis tahes füüsilises süsteemis vastava koguse soojuse vabanemisega (või mis on sama, termodünaamilise entroopia suurenemisega). Landaueri tööl oli tänapäevani jätkuva andmetöötluse jaoks fundamentaalne tähtsus. Landaueri, aga ka ameeriklaste Claude Shannoni ja John von Neumanni järgi nime saanud väljend võimaldab määrata seadme piiravaid füüsilisi omadusi (peamiselt selle võimsust ja suurust), mille juures teave hävib. Inimtekkelised protsessorid on muutunud miljardeid kordi rohkem soojust, kui Landaueri põhimõte ennustas, tänapäevaseks vaid tuhandeid kordi rohkem.
Olgu seal mälurakk, mis sisaldab bittides kodeeritud teavet (väärtustega null ja üks). Kui te selle hävitate (st muudate selle olekusse, mis sisaldab ainult nulle või ühtesid), eraldub soojust. Termodünaamika keeles tähendab see seda, et süsteemi entroopia läheb nulli, kuna on saavutatud maksimaalne järjestatud olek (mida kirjeldavad ainult nullid või ühed). Landauerile meeldis korrata, et "informatsioon on füüsiline suurus", see oli tema moto.
Prantsusmaa ja Saksamaa teadlased mõõtsid esimest korda soojust, mis vabaneb teabe hävimisel. Mälurakk oli kahe mikromeetrise läbimõõduga kvartshelmes, mis asetati vette. Optiliste pintsettide abil lõid füüsikud potentsiaalsete aukude paari, millesse rant võib sattuda. Need süsteemi olekud vastasid loogilistele väärtustele null ja üks. Kui süsteem viidi ühte olekusse, teave kustutati. Masin võttis arvesse paljusid nüansse, eelkõige kõikumisi, mille roll kasvas koos süvendite sügavuse vähenemisega. Rapidit kasutades jälgisid füüsikud süsteemi üleminekut ühest olekust teise. Protsessiga kaasnes soojuse eraldumine, vee temperatuur tõusis ja see registreeriti. Saadud andmed osutusid Landaueri põhimõttel ennustatutele lähedaseks.
Aga mis pistmist on Maxwelli deemonil sellega? Fakt on see, et Maxwelli mõtteeksperimendis kuumade ja külmade molekulide sorteerimisel kogub deemon teavet osakeste kiiruste kohta. Mingil hetkel saab mälu täis ja deemon peab selle töö jätkamiseks kustutama. Selleks on vaja teha tööd, mis on täpselt võrdne tööga, mida saaks teoreetiliselt kuumade ja külmade osakeste süsteemist eraldada. See tähendab, et termodünaamika teist seadust ei rikuta. Siiski tekib metafüüsiline küsimus deemoni mälu kustutava entiteedi kohta. Kas ta võib olla mingi superdeemon, kes mõjutab alaealist deemonit? Vastuse sellele küsimusele pakkus esmakordselt 1929. aastal üks Manhattani projektis osalejatest, Ameerika füüsik Leo Szilard. Tema järgi nimetatud seade tagab Maxwelli deemonile autonoomse töö.
Jaapani teadlastel õnnestus see esimest korda rakendada 2010. aastal. Nende elektromehaaniline mudel on umbes 300 nanomeetrise läbimõõduga polüstüreenist rant, mis asetatakse elektrolüüti. Elektromagnetväli ei lasknud helmel allapoole liikuda, mille tulemusena omandas see välja tööga võrdelise mehaanilise (potentsiaalse) energia. Maxwelli deemon sellises süsteemis oli vaatleja ja tema teaduslikud instrumendid, mille toimimine nõuab energiat. Viimane asjaolu ei võimalda jällegi rikkuda termodünaamika teist seadust. Erinevalt Jaapani teadlastest lõid nende kolleegid Soomest, Venemaalt (Ivan Khaimovitš Venemaa Teaduste Akadeemia Mikrostruktuuride Füüsika Instituudist) ja USA-st esmakordselt mitte elektromehaanilise, vaid täiesti elektroonilise Szilardi masina (Maxwelli autonoomne deemon) .
Süsteem põhineb üheelektronilisel transistoril, mis moodustab väikese vasest saare, mis on ühendatud kahe ülijuhtiva alumiiniumklemmiga. Maxwelli deemon juhib erineva energiaga elektronide liikumist transistoris. Kui osake on saarel, tõmbab deemon selle positiivse laenguga ligi. Kui elektron saarelt lahkub, tõrjub deemon selle negatiivse laenguga, mistõttu transistori temperatuur langeb ja deemoni temperatuur tõuseb.
Deemon sooritab kõik manipulatsioonid autonoomselt (tema käitumise määrab transistor) ning temperatuurimuutused viitavad korrelatsioonile tema ja süsteemi vahel, mistõttu jääb mulje, et Maxwelli deemon teab süsteemi olekust ja suudab seda juhtida. Elektrooniline deemon võimaldab lühikese aja jooksul läbi viia suure hulga mõõtmisi ning madalad temperatuurid süsteemis võimaldavad salvestada selles üliväikesi muutusi. See süsteem ei riku ka termodünaamika teist seadust ja on kooskõlas intuitiivse ideega, et teavet saab kasutada töö tegemiseks.
Miks on teadlastele selliseid uuringuid vaja? Ühest küljest pakuvad need selget akadeemilist huvi, kuna võimaldavad uurida mikroskoopilisi nähtusi termodünaamikas. Teisest küljest näitavad need, kui oluline on entroopia tootmine deemonile saadud teabe põhjal. Just see võib uuringu autorite arvates olla kasulik kvantarvutite kubitide (klassikaliste bittide kvantanaloogide) kujundamisel, isegi vaatamata pööratava andmetöötluse arengule, mille lugu ei kuulu käesoleva artikli ulatusse.
"Maxwelli deemon" on James Maxwelli 1867. aastal loodud mõtteeksperiment, et illustreerida termodünaamika teise seaduse näilist paradoksi. Selle katse peategelane on hüpoteetiline intelligentne mikroskoopiline olend, kes sai hiljem nime "Maxwelli deemon".
Oletame, et gaasiga anum on läbimatu vaheseinaga jagatud parem- ja vasakpoolseks osaks. Vaheseinas on auk koos seadmega, nn Maxwelli deemon, mis võimaldab kiiretel kuumadel gaasimolekulidel lennata ainult anuma vasakult küljelt paremale ja aeglastel külmadel molekulidel ainult paremast küljest. laev vasakule.
Seejärel on mõne üsna pika aja pärast kõik kuumad molekulid paremal ja külmad vasakul. Seega selgub, et Maxwelli deemon suudab ilma täiendava energiavarustuseta anuma ühte osa soojendada ja teist jahutada.
Selle tulemusena selgub, et kahest poolest koosneva süsteemi entroopia algolekus on suurem kui lõppseisundis ja see läheb vastuollu termodünaamilise entroopia mittekahanemise põhimõttega suletud süsteemides, s.t. termodünaamika teine seadus.
Termodünaamika teisest seadusest järeldub ju, et ilma tööd tegemata on võimatu soojust madalama temperatuuriga kehalt kõrgema temperatuuriga kehale üle kanda.
Paradoks lahendatakse, kui mõelda suletud süsteemile, mis sisaldab Maxwelli deemonit ja anumat. Selleks, et Maxwelli deemon ise toimiks, on vaja talle energiat üle kanda kolmanda osapoole allikast. Tänu sellele energiale viiakse läbi kuumade ja külmade molekulide eraldamine
See meeldejääv bareljeef ilmus ühe USA ülikooli seinale James Maxwelli ja tema tabamatu deemoni auks.
Ja kui selline deemon saaks reaalsuses eksisteerida, siis oleks võimalik luua soojusmasin, mis töötaks energiat tarbimata.
Infoteooria arenedes leiti, et mõõtmisprotsess ei pruugi viia entroopia suurenemiseni eeldusel, et see on termodünaamiliselt pöörduv.
Sel juhul peab deemon aga mäletama kiiruste mõõtmise tulemusi (nende kustutamine deemoni mälust muudab protsessi pöördumatuks).
Kuna mälu on piiratud, siis teatud hetkel on deemon sunnitud kustutama vanad tulemused, mis lõpuks viib kogu süsteemi kui terviku entroopia suurenemiseni.
2010. aastal õnnestus Tokyo ülikooli füüsikutel mõtteeksperiment reaalsuses ellu viia. Teadlased märkisid, et selle katse loomiseks inspireeris neid Maxwelli kuulus deemon. Jaapani füüsikud olid esimesed, kellel õnnestus teavet energiaks muuta.
Nad on loonud toimiva nanomõõtmelise süsteemi, mis suudab info energiaks muuta umbes 28-protsendise kasuteguriga (võrdluseks, moodsamate sisepõlemismootorite kasutegur on veidi üle 40 protsendi). Teadlased ei välista, et nende väljatöötatud põhimõte võimaldab tulevikus luua süsteeme, milles nii juhitava objekti kui ka “deemoni” mõõtmed ei ületa sadu nanomeetreid.
Ja 2015. aastal lõid Soome, Venemaa ja USA füüsikud autonoomse tehisliku Maxwelli deemoni, mis viidi ellu ülijuhtivate alumiiniumjuhtmetega üheelektronilise transistori kujul. Maxwelli deemon juhib elektronide liikumist läbi transistori.
Installimine aitab uurida termodünaamika mikroskoopilisi nähtusi ja võib leida rakendust kvantarvutite kubitites.
Laadimine...