Энциклопедичный YouTube
1 / 5
✪ Демон Максвелла
✪ Демон Максвелла
✪ Science show. Выпуск № 58. Два демона теоретической физики
✪ Science show. Выпуск 50. Визуализация в физике
✪ Science show. Выпуск № 63. Успехи Теории Большого Взрыва
Субтитры
Согласно второму закону термодинамики, энтропия Вселенной постоянно увеличивается. Соответственно, когда во Вселенной осуществляется какой-либо процесс, энтропия всегда будет больше или равна 0. И в предыдущем ролике мы выяснили, что у этого может быть очень много различных последствий. Вне зависимости от того, как вы понимаете энтропию– как умноженный на постоянное число натуральный логарифм количества состояний, которые может принять ваша система, или как тепло в системе, делённое на температуру, при которой оно добавляется, – оба эти описания, в сочетании со вторым законом термодинамики, говорят нам: когда горячее тело находится рядом с холодным – скажем... Давай нарисуем. Вот это T1, а вот это – T2 - то тепло будет передаваться от горячего тела к холодному. Мы показали это в прошлом ролике при помощи математических вычислений. Тепло будет передаваться в этом направлении. Один из людей, комментировавших прошлый ролик, написал: «А не могли бы вы рассказать о демоне Максвелла?» Расскажу! Потому что это весьма любопытный мысленный эксперимент, который вроде как опровергает рассматриваемый принцип и второй закон термодинамики. Да и название у него весьма занятное – «демон Максвелла». Впрочем, «демоном» его, судя по всему, назвал вовсе не Максвелл, а Кельвин. Ну вы знаете, этим ребятам всё было интересно. Итак, демон Максвелла. Это тот самый Максвелл, именем которого названо знаменитое уравнение, так что он действительно интересовался очень многими вещами. В числе прочего, он был первым человеком, которому удалось создать цветное изображение. Причём в середине XIX века. Итак, перед нами очень проницательный ученый. Но что такое демон Максвелла? Когда мы говорим, что какое-то тело имеет более высокую температуру, чем другое, что мы имеем в виду? Мы имеем в виду, что средняя кинетическая энергия молекул этого тела, сталкивающихся вот здесь… что средняя кинетическая энергия вот этих молекул… выше, чем средняя кинетическая энергия молекул здесь. Обратите внимание: я сказал – средняя кинетическая энергия. И мы говорили об этом не один раз. Температура – это макросостояние. Мы знаем, что на микроуровне все эти молекулы имеют различную скорость. Они сталкиваются друг с другом, передавая друг другу инерцию движения. Вот эта может двигаться очень быстро вот в этом направлении. А вот эта может двигаться довольно медленно. Эта может двигаться очень быстро вот таким образом. А вот эта может двигаться довольно медленно. Всё это довольно запутанно. Но мы можем начертить график распределения. Если вы знаете микросостояния всего, вы можете начертить небольшую гистограмму. Для T1 мы можем сказать… Скажем, используем шкалу Кельвина. Взгляните, вот моя средняя температура, но при этом у меня есть общий график распределения частиц. То есть вот это – количество частиц. И выстраивать какую-либо шкалу здесь я не буду. Вы уловили основную идею. Итак, у меня есть множество частиц, которые составляют T1, но у меня также есть определённые частицы, которые могут быть очень близки к абсолютному нулю. Конечно, их будет немного, но всё же. То есть у вас есть множество, которое, вероятно, составляет T1, и множество частиц, которые могли бы иметь кинетическую энергию, более высокую, чем у T1. Выше, чем средняя кинетическая энергия. Может быть, мы говорим вот об этой. Может быть, вот это и есть та частица, которая практически не имеет кинетической энергии. Это значит, что у нас есть частица, которая является практически полностью неподвижной, которая стоит на одном месте. Вот у нас общий график распределения частиц. Аналогичным образом, вот в этой системе T2, в среднем, молекулы отличаются более низкой кинетической энергией. Но тут вполне может быть одна частица, которая обладает очень высокой кинетической энергией. Но большинство из них в среднем отличаются более низкой энергией. Итак, если мы нарисуем график распределения для T2, то наша средняя кинетическая энергия будет ниже, но график при этом, вероятно, будет выглядеть примерно вот так. Нет, не совсем так. Вероятно, он будет выглядеть вот так. Или, может быть, вот так. Давайте попробуем немного по-другому. Доведём линию вот сюда. Возможно, наш график будет выглядеть примерно так. Итак, обратите внимание – в Т1 есть некоторые молекулы, которые обладают более низкой энергией, чем средняя кинетическая энергия T2. Вот они, эти молекулы. Вот эти медленные ребята. И обратите внимание – в Т2 есть некоторые молекулы, которые обладают более высокой энергией, чем средняя кинетическая энергия T1. Вот они. Итак, есть быстрые ребята в T2, даже несмотря на то, что T2, скажем так, «холоднее» и отличается более низкой средней кинетической энергией. Если посмотреть на микросостояние, мы увидим отдельные молекулы, которые движутся довольно быстро, и отдельные молекулы, которые движутся довольно медленно. Итак, Максвелл сказал: «Эй, а что если бы у меня был, – конечно, он при этом не использовал слово «демон», но мы его употребим, потому что оно выглядит весьма любопытным и таинственным, но на самом деле таковым не является, – а что если бы у меня был некто, – давайте назовем его демоном, – с небольшой лазейкой вот здесь? Давайте я сделаю более аккуратный рисунок. Итак, между двумя этими системами… Допустим, они изолированы. Допустим, они отделены друг от друга. Вот T1 со множеством частиц, обладающих различной кинетической энергией. А вот T2. Я делаю их разделенными, и, может быть, они соединены лишь вот здесь. T2. Эти ребята обладают более медленной кинетической энергией. И Максвелл, проводя свой маленький мысленный эксперимент, сказал: «Представьте, что у меня есть некто, заведующий одной лазейкой – скажем, вот этой – и он её контролирует». И всегда, когда реально быстрая частица из T2, одна из вот этих, приближается к лазейке – летит к ней – допустим, вот она… И эта частица движется очень быстро. Она имеет очень высокую кинетическую энергию и прекрасно подходит для нашей лазейки. И тут демон говорит: «Эй, я вижу эту штуку. Она направляется к моей лазейке». Демон собирается открыть свой люк и позволить этой частице проникнуть в T1. И когда демон откроет свой люк, эта частица продолжит своё движение и окажется в T1. Демон вновь закрывает люк: он хочет, чтобы быстрые частицы перешли из T2 в T1. Когда он видит приближающуюся к нему медленную частицу, одну из вот этих, он вновь открывает свою лазейку и позволяет частице проникнуть внутрь. Это происходит примерно вот так. И если так будет продолжаться дальше, то чем же всё закончится? Что ж, в конце концов произойдёт разделение – и это может занять некоторое время. Но разделение коснётся всех медленных частиц… Давайте я это нарисую. Граница у нас будет коричневой, потому что теперь не совсем ясно, где что… отлично... Мы ещё об этом немного поговорим. Итак, вот граница. А вот лазейка в ней. Что же произойдёт в конце? Все быстрые частицы… некоторые из них уже находились в T1, так? Некоторые быстрые частицы, изначально находившихся в T1, будут по-прежнему по эту сторону барьера. Давайте нарисуем это: главное – ничего не перепутать. Итак, теперь все быстрые частицы из T2 также застрянут вот здесь. Потому что в конце концов все они приблизятся к нашей лазейке, если подождать достаточно долго. Таким образом, вот здесь тоже скопится множество частиц, которые изначально находились в Т2. Итак, у нас тут будет множество быстрых частиц. Аналогичным образом, все медленные частицы T2 останутся с другой стороны. Вот они, эти медленные частицы. И демон впустит все медленные частицы T1 – я даже больше не буду называть их частицами T1. Я буду называть их частицами 1. Так вот, демон впустит частицы 1 вот сюда. Медленные частицы 1. Итак, что же здесь произошло? Это было горячее тело, а вот это – холодное. Согласно второму закону термодинамики, тепло должно перейти вот отсюда – сюда. При этом температура должна стать примерно равной. То есть, горячее тело должно стать холоднее, а холодное – горячее. Температура станет усредненной. Но что же сделал наш маленький демон? Он сделал горячее тело ещё горячее, так? Теперь средняя кинетическая энергия вот здесь ещё выше. Демон переместил все эти частицы с высокой кинетической энергией вот сюда, так что теперь этот график будет выглядеть… Примерно так, как если бы вы переместили все эти частицы вот сюда… График распределения теперь будет выглядеть примерно так… Попробуем… Для Т1 он будет выглядеть вот так. А что касается T2… демон забрал все горячие отсюда и холодные из T1. Соответственно, вот эти ребята исчезнут. Здесь их больше не будет. И он добавил их в T2. Итак, график распределения для T2 будет выглядеть вот так, это мы сотрём, конечно. Демон забрал этих ребят из T2. Давайте сотрём всё это. Это был старый график распределения для T1. Итак, график распределения для T2 теперь выглядит примерно так. А новый средний показатель для T2, вероятно, будет примерно вот таким. Это моя новая система Т2. И моя новая система T1 сдвинется немного вправо. Средний показатель будет выше. Итак, наш демон, судя по всему, нарушил второй закон термодинамики. Давайте обведём всё это. Мои маленькие диаграммы накладываются друг на друга. Этот пример показывает, что горячее тело стало ещё горячее, а холодное – ещё холоднее. Итак, Максвелл как бы говорит нам: «Да мы нарушили второй закон термодинамики». И учёные ломали голову над этим на протяжении многих лет. Даже в двадцатом столетии некоторые продолжали задумываться о том, что же здесь не так. А не так здесь вот что… И я докажу вам это при помощи математических вычислений… Это практически аналогично примеру с холодильником. У нас есть некий демон, открывающий маленькую лазейку, когда это будет удобно. Вот он, это демон. Когда быстрые частицы переходят отсюда или медленные – вот отсюда… Чтобы делать это правильно, он должен отслеживать, где будут находиться все частицы. Он должен будет отслеживать все частицы. А это не какие-то макрочастицы. Это микромолекулы или атомы. Демон должен будет учитывать электроны, которые можно увидеть только при помощи специального микроскопа. И при этом он должен будет отслеживать вот это бесчисленное множество частиц. Только подумайте об этом! Если у него нет суперспособностей, у него должен быть крутейший компьютер. Это должен быть компьютер невероятной мощности. Но ведь любой компьютер вырабатывает очень много тепла. Так вот, учёт различных молекул для измерения быстроты их движения тоже будет вырабатывать тепло. Это будет очень тяжёлая работа. Ведь придётся измерить всё! Демону придётся серьёзно потрудиться. Итак, ответ заключается в том, что... И это не так просто доказать математически... Что если бы вы действительно хотели создать подобного демона – и в современном мире вы, вероятно, использовали бы для этого какой-нибудь компьютер с различными датчиками, и кое-кто действительно пытался сделать это на определённом уровне… Так вот, этот компьютер и вся его система будут создавать большую энтропию – вот, эта дельта S. Он будет создавать большую энтропию, чем энтропия, которая теряется при охлаждении холодной стороны и нагревании горячей. Итак, мы с демоном Максвелла не сделали ничего определённого. Я не доказал это математически. Но демон Максвелла – это весьма любопытный мысленный эксперимент, поскольку он даёт вам немного более широкое представление о различии между макро- и микросостояниями. А также о том, что происходит на молекулярном уровне в плане температуры, и о том, как можно сделать холодное тело ещё холоднее, а горячее – ещё горячее. Но наш ответ вовсе не является парадоксальным. Когда вы думаете об энтропии целой системы, вы должны включать в её состав и самого демона. А если вы включите в состав системы самого демона, то он будет увеличивать энтропию каждый раз, когда будет открывать свою лазейку – чтобы открыть дверцу, требуется определённая энергия. Но при этом демон будет создавать большую энтропию, чем энтропия, которая может быть потеряна, скажем, когда одна из этих медленных частиц переходит вот на ту сторону барьера. Как бы то ни было, я просто хотел рассказать вам об этом, так как это действительно любопытный мысленный эксперимент. До следующего ролика!
Суть парадокса
В 2010 г. мысленный эксперимент в реальности удалось воплотить физикам из университетов Тюо (яп. 中央大学 ) и Токийского университета
В 2015 г. автономный искусственный демон Максвелла был реализован в виде одноэлектронного транзистора со сверхпроводящими алюминиевыми выводами. Такое устройство позволяет проводить большое количество операций измерения за малый промежуток времени.
Объяснение парадокса Максвелла
Парадокс Максвелла впервые был разрешён Лео Силардом в 1929 г. на основе следующего анализа .
Демон должен воспользоваться каким-либо измерительным прибором для оценки скоростей молекул, например электрическим фонариком. Поэтому надо рассмотреть энтропию системы, состоящей из газа при постоянной температуре T 0 , {\displaystyle T_{0},} демона и фонарика, включающего заряженную батарейку и электрическую лампочку. Батарейка должна нагревать нить лампы фонарика до высокой температуры T 1 > T 0 , {\displaystyle T_{1}>T_{0},} с целью получения квантов света с энергией ℏ ω 1 > T 0 {\displaystyle \hbar \omega _{1}>T_{0}} для того, чтобы кванты света распознавались на фоне теплового излучения с температурой
В отсутствие демона энергия E {\displaystyle E} , излучаемая лампочкой при температуре T 1 {\displaystyle T_{1}} поглощается в газе при температуре T 0 {\displaystyle T_{0}} и в целом энтропия возрастает: Δ S = E T 0 − E T 1 > 0 , {\displaystyle \Delta S={\frac {E}{T_{0}}}-{\frac {E}{T_{1}}}>0,} так как ℏ ω 1 T 0 > 1 , {\displaystyle {\frac {\hbar \omega _{1}}{T_{0}}}>1,} а p Ω 0 ≪ 1. {\displaystyle {\frac {p}{\Omega _{0}}}\ll 1.}
При наличии демона изменение энтропии: 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.} Здесь первое слагаемое означает увеличение энтропии при попадании излученного фонариком кванта света в глаз демона, а второе слагаемое означает уменьшение энтропии вследствие уменьшения статистического веса системы Ω 0 {\displaystyle \Omega _{0}} на величину p , {\displaystyle p,} что приводит к уменьшению энтропии на величину Δ S s = S 1 − S 0 = ln (Ω 0 − p − ln Ω 0 ≈ − p Ω 0 . {\displaystyle \Delta S_{s}=S_{1}-S_{0}=\ln(\Omega _{0}-p-\ln \Omega _{0}\approx -{\frac {p}{\Omega _{0}}}.}
Рассмотрим этот процесс подробнее. Пусть сосуд с газом разделен на две части A {\displaystyle A} и B {\displaystyle B} с температурами T B > T A , T B − T A = Δ T , T B = T 0 + 1 2 Δ T , T A = 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.} Предположим, что демон выбирает быстро движущуюся молекулу с кинетической энергией 3 2 T (1 + ϵ 1) {\displaystyle {\frac {3}{2}}T(1+\epsilon _{1})} в области с низкой температурой A {\displaystyle A} и направляет её в область B . {\displaystyle B.} После этого он выбирает медленно движущуюся молекулу с кинетической энергией 3 2 T (1 − ϵ 2) {\displaystyle {\frac {3}{2}}T(1-\epsilon _{2})} в области с высокой температурой B {\displaystyle B} и направляет её в область A . {\displaystyle A.}
Для того, чтобы предварительно выбрать эти две молекулы, демону требуется по меньшей мере два световых кванта, которые приведут при попадании в его глаз к увеличению энтропии Δ S d = 2 ℏ ω 1 T 0 > 2. {\displaystyle \Delta S_{d}=2{\frac {\hbar \omega _{1}}{T_{0}}}>2.}
Обмен молекулами приведет к уменьшению полной энтропии Δ S m = Δ Q (1 T B − 1 T A) ≈ − 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}}}\right)\approx -\Delta Q{\frac {\Delta T}{T^{2}}}=-{\frac {3}{2}}\left(\epsilon {1}+\epsilon _{2}\right){\frac {\Delta T}{T}}.} Величины ϵ 1 {\displaystyle \epsilon {1}} и ϵ 2 , {\displaystyle \epsilon {2},} вероятнее всего, малы, Δ T ≪ T {\displaystyle \Delta T\ll T} и поэтому Δ S m = − 3 2 ν , ν ≪ 1. {\displaystyle \Delta S_{m}=-{\frac {3}{2}}\nu ,\quad \nu \ll 1.}
Таким образом, полное изменение энтропии будет 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.}
Температура демона может быть и много ниже температуры газа
T
d
≪
T
0
.
{\displaystyle T_{d}\ll T_{0}.}
При этом он может принимать кванты света с энергией
ℏ
ω
{\displaystyle \hbar \omega }
, испускаемые молекулами газа при температуре
T
0
.
{\displaystyle T_{0}.}
Тогда приведенные выше рассуждения можно повторить с заменой условий
T
1
>
T
0
,
ℏ
ω
1
>
T
0
{\displaystyle T_{1}>T_{0},\quad \hbar \omega _{1}>T_{0}}
на условия
T
2
<
T
0
,
ℏ
ω
1
>
T
2
.
{\displaystyle T_{2}
В популярной культуре
В художественной литературе
- В повести «Понедельник начинается в субботу » братьев Стругацких демоны Максвелла приспособлены администрацией НИИЧАВО открывать и закрывать входные двери института.
- В рассказе Сергея Снегова «Право на поиск» одного из героев называли «Повелителем Демонов Максвела» «…почему я ношу странную кличку Повелитель Демонов? Я, естественно, поправил: не Повелитель Демонов вообще, а Повелитель Демонов Максвелла… Мне удалось реально осуществить гениальную идею Максвелла».
- В «Кибериаде » Станислава Лема демон Максвелла упоминается как «демон первого рода». Герои книги создают «демона второго рода», способного извлекать осмысленную информацию из движения молекул воздуха.
Мысленный эксперимент состоит в следующем: предположим, сосуд с газом разделён непроницаемой перегородкой на две части: правую и левую. В перегородке отверстие с устройством (так называемый демон Максвелла), которое позволяет пролетать быстрым (горячим) молекулам газа только из левой части сосуда в правую, а медленным (холодным) молекулам — только из правой части сосуда в левую. Тогда, через большой промежуток времени, «горячие» (быстрые) молекулы окажутся в правом сосуде, а «холодные» — «останутся» в левом.
Таким образом, получается, что демон Максвелла позволяет нагреть правую часть сосуда и охладить левую без дополнительного подвода энергии к системе. Энтропия для системы, состоящей из правой и левой части сосуда, в начальном состоянии больше, чем в конечном, что противоречит термодинамическому принципу неубывания энтропии в замкнутых системах (см. Второе начало термодинамики)
Парадокс разрешается, если рассмотреть замкнутую систему, включающую в себя демона Максвелла и сосуд. Для функционирования демона Максвелла необходима передача ему энергии от стороннего источника. За счёт этой энергии и производится разделение горячих и холодных молекул в сосуде, то есть переход в состояние с меньшей энтропией. Детальный разбор парадокса для механической реализации демона (храповик и собачка) приведён в Фейнмановских лекциях по физике, вып. 4, а также в популярных лекциях Фейнмана «Характер физических законов».
С развитием теории информации было установлено, что процесс измерения может не приводить к увеличению энтропии при условии, что он является термодинамически обратимым. Однако в этом случае демон должен запоминать результаты измерения скоростей (стирание их из памяти демона делает процесс необратимым). Поскольку память конечна, в определенный момент демон вынужден стирать старые результаты, что и приводит в конечном итоге к увеличению энтропии всей системы в целом.
Успех японских физиков
Японские физики впервые смогли в эксперименте добиться увеличения внутренней энергии системы, используя только информацию о ее состоянии и не передавая ей дополнительной энергии.
Получение энергии из информации впервые теоретически описал британский физик Джеймс Максвелл в своем мысленном эксперименте. В нем некое существо, позднее названное "демоном Максвелла", охраняло дверь между двумя комнатами. Демон, зная энергию приближающейся к двери молекулы, открывает проход только для "быстрых" молекул, закрывая дверь перед "медленными". В результате в одной комнате окажутся все "быстрые" молекулы, а в другой медленные, и возникшую разницу температур можно использовать в практических целях.
Воплощение такой "демонической" энергоустановки требует намного больших энергетических затрат, чем можно извлечь из образующейся разницы температур, поэтому реальные двигатели, работающие по такому принципу, никогда всерьез не рассматривались учеными. Однако интерес к подобным системам вновь возник в последнее время с развитием нанотехнологий.
Авторы исследования, японские физики, возглавляемые Масаки Сано (Masaki Sano) из Токийского университета воплотили на практике мысленный эксперимент с участием "демона Максвелла".
Ученые использовали в работе полимерный объект размером около 300 нанометров, напоминающий бусину. Ее форма подобрана так, что вращаться по часовой стрелке ей энергетически более выгодно, так как это сопровождается высвобождением механической энергии. Вращение против часовой стрелки, напротив, приводит к "закручиванию" бусины и увеличению запасенной ей механической энергии.
Бусину поместили в специальный раствор, и она из-за своих малых размеров начинала принимать участие в броуновском движении и вращаться - как по часовой стрелке, так и против.
Исследователи с помощью специального оборудования отслеживали каждый поворот бусины, и, когда она вращалась против часовой стрелки, прилагали электрическое напряжение к емкости, в которой она находилась. Такая операция не передавала системе дополнительную энергию, но при этом не давала бусине "раскручиваться" назад. Таким образом, используя только информацию о том, куда провернулась бусина, ученые смогли увеличить запас ее механической энергии лишь за счет энергии броуновского движения молекул.
Закон сохранения энергии при этом не нарушается. Согласно расчетам Сано, эффективность преобразования информации в энергию в их эксперименте составила 28%, что согласуется с теоретическими расчетами.
Такой механизм может использоваться для работы наномашин или молекулярных механизмов, считает Владко Ведрал (Vlatko Vedral), физик из Оксфордского университета, не принимавший участия в эксперименте Сано, мнение которого приводит интернет-издание Nature News.
"Весьма любопытно было бы обнаружить использование этого принципа передачи энергии в живых системах", - добавил ученый.
Отвечает ведущий научный сотрудник лаборатории квантовой теории информации МФТИ и Института теоретической физики имени Л.Д. Ландау РАН Гордей Лесовик:
— Согласно одной из формулировок второго закона термодинамики тепло переходит от горячего тела к холодному. Это обычное и всем понятное явление. Но если запустить в замкнутую систему Демона Максвелла (считается, что он повышает степень упорядоченности в системе), то он способен нарушить естественный порядок вещей, и устранить беспорядок, если хотите. Он будет отражать высокоэнергичные атомы или молекулы, менять потоки и тем самым запускать совсем иные процессы внутри системы. Аналогичный процесс можно осуществить с помощью нашего квантового устройства.
Схематическое изображение демона Максвелла. Фото: Commons.wikimedia.org
Мы показали, что хотя квантовая механика в общем-то как раз и обеспечивает этот самый классический закон термодинамики и обеспечивает естественный порядок вещей, но искусственно можно создать такие условия, при которых этот процесс может быть нарушен. То есть теперь квантовый Демон Максвелла, — проще говоря, искусственный атом (его принято называть кубит, т.е. квантовый бит) способен сделать так, чтобы тепло от холодного передавалось к горячему объекту, а не наоборот. Это и есть основная новость в нашей работе.
В ближайшее время мы планируем создавать квантовый холодильник, в котором экспериментальным путем будем запускать естественные потоки тепла вспять. При этом наш суперхолодильник будет способен не сам затрачивать энергию на преобразования, а (в некотором смысле) извлекать её из источника, который может быть расположен в нескольких метрах от него. С этой точки зрения наш квантовый холодильник будет (локально) абсолютно энергоэффективным. Во избежание недоразумений важно подчеркнуть, что при учете удаленного источника энергии справедливость второго закона термодинамики восстанавливается, и миропорядок в целом нарушен не будет.
Что касается области применения квантового Демона Максвелла, т.е. нашего устройства, то прежде всего это, конечно же, область квантовой механики. Ну, например, обычный компьютер при работе часто нагревается, то же самое происходит и с квантовыми устройствами, только там эти процессы еще критичнее для нормальной работы. Мы сможем охлаждать их или какие-то отдельные микрочипы. Сейчас мы учимся делать это с близкой к 100% эффективностью.
Ну и, конечно, такие эксперименты позволят в будущем говорить о создании вечного двигателя второго типа . Никаких батареек не потребуется, двигатель сможет извлекать энергию из ближайшего теплового резервуара и с помощью него перемещать какие-то наноустройства.
Вечный двигатель второго рода — машина, которая, будучи пущена в ход, превращала бы в работу всё тепло, извлекаемое из окружающих тел. По законам термодинамики до сих пор считается неосуществимой идеей.
Физики из Финляндии, России и США впервые автономного электронного демона Максвелла. Результаты своих исследований авторы опубликовали в журнале Physical Review Letters. Что такое демоны Максвелла и как они могут помешать работе компьютеров, рассказывает «Лента.ру».
Интрига вокруг демонов Максвелла сохраняется в науке вот уже 150 лет. Концепцию сверхъестественного существа предложил в 1867 году британский физик Джеймс Клерк Максвелл . Речь идет о некоем устройстве, функционирующем так, что это приводит к нарушению (кажущемуся) второго начала термодинамики - одного из самых фундаментальных законов природы.
В своем мысленном эксперименте Максвелл взял закрытый баллон с газом и разделил его на две части внутренней стенкой с небольшим люком. Открывая и закрывая люк, демон Максвелла разделяет быстрые (горячие) и медленные (холодные) частицы. В результате в баллоне возникает разность температур, а тепло передается от более холодного газа к более горячему, что казалось бы противоречит второму закону термодинамики.
Второй закон термодинамики определяет направление физических процессов. В частности, как показал немецкий физик Рудольф Клаузиус , он делает невозможной самопроизвольную передачу (то есть без совершения работы) тепла от более холодного тела более горячему или, что то же самое, уменьшение энтропии (меры беспорядка) изолированной системы. В формулировке француза Сади Карно этот закон звучит так: тепловая машина с коэффициентом полезного действия в сто процентов невозможна.
Второе начало термодинамики было окончательно сформулировано в XIX веке. Тогда это был закон для ряда частных случаев (его фундаментальный характер прояснился позднее). Физики искали в нем противоречия, и одно из них (наряду с тепловой смертью Вселенной) и представил Максвелл в письме к своему коллеге Питеру Тейту.
Парадокс сразу привлек к себе внимание ученых и любителей науки. В XX веке славу демона Максвелла затмил кот (или кошка) Шредингера . Между тем, подобно домашнему питомцу из квантовой механики, бес британского физика послужил источником многих важных открытий. В частности, благодаря ему возникла термодинамическая теория информации и связанное с ней представление об информационной энтропии.
В 1960-х годах исследователь из американской компании IBM (International Business Machines) Рольф Ландауэр сформулировал принцип, которому присвоили его имя. Он связал потерю бита информации в любой физической системе с выделением соответствующего количества тепла (или, что то же самое, повышением термодинамической энтропии). Работа Ландауэра имела фундаментальное значение для вычислительной техники, сохраняющееся до сих пор. Выражение, названное в честь Ландауэра, а также американцев Клода Шеннона и Джона фон Неймана , позволяет определить предельные физические характеристики устройства (прежде всего, его мощность и размеры), при которых уничтожается информация. Созданные человеком процессоры прошли путь от рассеивания тепла, в миллиарды раз большего предсказываемого принципом Ландауэра, до современных значений, всего в тысячи раз превышающих его.
Пусть имеется ячейка памяти, содержащая закодированную в битах информацию (со значениями ноль и единица). Если уничтожить ее (то есть перевести в состояние, содержащее только нули или единицы), выделится тепло. На языке термодинамики это означает обращение энтропии системы в нуль, поскольку достигнуто максимально упорядоченное состояние (описываемое только нулями или единицами). Ландаэуэр любил повторять, что «информация - это физическая величина», это было его девизом.
Впервые измерили тепло, выделяющееся при уничтожении бита информации, ученые из Франции и Германии. Ячейкой памяти послужила кварцевая бусина диаметром два микрометра, помещенная в воду. Посредством оптического пинцета физики создали пару потенциальных ям, в которых могла оказаться бусина. Эти состояния системы соответствовали логическим значениям нуль и единица. При переводе системы в одно состояние информация стиралась. Машина учитывала множество нюансов, в частности, флуктуации, чья роль росла вместе с уменьшением глубины ям. При помощи рапида физики наблюдали переход системы из одного состояния в другое. Процесс сопровождался тепловыделением, температура воды повышалась, и это фиксировалось. Полученные данные оказались близки к предсказываемым принципом Ландауэра.
Но при чем тут демон Максвелла? Дело в том, что при сортировке горячих и холодных молекул в мысленном эксперименте Максвелла демон накапливает информацию о скоростях частиц. В какой-то момент память переполняется, и демону для продолжения работы необходимо ее стереть. Для этого требуется совершить работу, в точности равную работе, которую теоретически можно было бы извлечь из системы горячих и холодных частиц. То есть второй закон термодинамики не нарушается. Однако возникает метафизический вопрос о сущности, стирающей демону память. Не будет ли ею некий супердемон, влияющий на младшего демона? Ответ на этот вопрос впервые предложил в 1929 году один из участников Манхэттенского проекта американский физик Лео Силард . Устройство, названное его именем, обеспечивает демону Максвелла автономную работу.
Впервые его реализовать удалось японским ученым в 2010 году. Их электромеханическая модель представляет собой полистироловую бусину диаметром около 300 нанометров, помещенную в электролит. Электромагнитное поле не давало бусине перемещаться вниз, в результате чего она набрала механическую (потенциальную) энергию, пропорциональную работе поля. Демоном Максвелла в такой системе выступал наблюдатель и его научные инструменты, для функционирования которых необходима энергия. Последнее обстоятельство снова не позволяет нарушить второе начало термодинамики. В отличие от японских ученых, их коллеги из Финляндии, России (Иван Хаймович из Института физики микроструктур Российской академии наук) и США впервые создали не электромеханическую, а полностью электронную машину Силарда (автономного демона Максвелла).
Система основана на одноэлектронном транзисторе, который образует небольшой медный остров, подключенный к двум сверхпроводящим алюминиевым выводам. Демон Максвелла контролирует движение электронов разных энергий в транзисторе. Когда частица находится на острове, демон притягивает ее положительным зарядом. Если электрон покидает остров, демон отталкивает его при помощи отрицательного заряда, что приводит к понижению температуры транзистора и ее повышению у демона.
Все манипуляции демон выполняет в автономном режиме (его поведение определяется транзистором), а изменения температуры указывают на корреляцию между ним и системой, так что все выглядит так, как будто демон Максвелла знает о состоянии системы и способен ею управлять. Электронный демон позволяет проводить большое количество измерений за небольшой промежуток времени, а низкие температуры в системе дают возможность регистрировать чрезвычайно малые ее изменения. Эта система также не нарушает второе начало термодинамики и согласуется с интуитивно понятным представлением о том, что информацию можно использовать для совершения работы.
Зачем ученым нужны такие исследования? С одной стороны, они представляют явный академический интерес, поскольку позволяют изучать микроскопические явления в термодинамике. С другой стороны, показывают, насколько важно производство энтропии из информации, получаемой демоном. Именно это может быть, как полагают авторы исследования, полезным для проектирования кубитов (квантовых аналогов классических битов) квантовых компьютеров, даже несмотря на намечающийся прогресс в обратимых вычислениях , рассказ о чем выходит за рамки данной статьи.
"Демон Максвелла" - это мысленный эксперимент, придуманный Джеймсом Максвеллом в 1867 году с целью проиллюстрировать кажущийся парадокс Второго начала термодинамики. Главным персонажем этого эксперимента является гипотетическое разумное микроскопическое существо, получившее позднее имя "демон Максвелла".
Предположим, что сосуд с газом разделён непроницаемой перегородкой на правую и левую части. В перегородке есть отверстие с устройством, так называемым демоном Максвелла, который позволяет пролетать быстрым, горячим молекулам газа только из левой части сосуда в правую, а медленным, холодным молекулам - только из правой части сосуда в левую.
Тогда, через какой-то достаточно большой промежуток времени, все горячие молекулы окажутся справа, а холодные - слева. Таким образом, получается, что демон Максвелла без дополнительного подвода энергии может нагреть одну часть сосуда и охладить другую.
В результате получается, что энтропия системы, состоящей из двух половинок, в начальном состоянии больше, чем в конечном,а это противоречит термодинамическому принципу неубывания энтропии в замкнутых системах, т.е. второму началу термодинамики.
Ведь из второго начала термодинамики вытекает, что невозможно без совершения работы передать тепло от тела с меньшей температурой телу с большей температурой.
Парадокс разрешается, если рассмотреть замкнутую систему, включающую в себя демона Максвелла и сосуд. Для функционирования самого демона Максвелла необходимо передавать ему энергию от стороннего источника. За счёт этой энергии и производилось бы разделение горячих и холодных молекул
Вот такой памятный барельеф появился в честь Джеймса Максвелла и его неуловимого демона на стене одного из университетов США.
А если бы такой демон мог существовать в реальности, то можно было бы создать тепловую машину, которая работала бы без потребления энергии.
С развитием теории информации было установлено, что процесс измерения может не приводить к увеличению энтропии при условии, что он является термодинамически обратимым.
Однако в этом случае демон должен запоминать результаты измерения скоростей (стирание их из памяти демона делает процесс необратимым).
Поскольку память конечна, в определенный момент демон вынужден стирать старые результаты, что и приводит в конечном итоге к увеличению энтропии всей системы в целом.
В 2010 г. мысленный эксперимент в реальности удалось воплотить физикам из Токийского университета. Ученые отметили, что на создание данного эксперимента их вдохновил знаменитый демон Максвелла. Японским физикам впервые удалось превратить информацию в энергию.
Они создали работающую наноразмерную систему, которая позволяет конвертировать информацию в энергию с КПД около 28 процентов (для сравнения, КПД самых современных двигателей внутреннего сгорания слегка превышает 40 процентов). Ученые не исключают, что в будущем разработанный ими принцип позволит создать системы, в которых размеры и управляемого объекта, и “демона” не будут превышать сотен нанометров.
А в 2015 году физики из Финляндии, России и США создали автономный искусственный демон Максвелла, который был реализован в виде одноэлектронного транзистора со сверхпроводящими алюминиевыми выводами. Демон Максвелла контролирует движение электронов через транзистор.
Установка поможет изучать микроскопические явления в термодинамике и может найти применение в кубитах для квантовых компьютеров.
Загрузка...