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.
"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.
Этот парадокс давно разгадан. В 1929 году приват-доцент Берлинского университета Лео Сциллард (в будущем один из виднейших участников Манхеттенского проекта) показал, что даже идеально действующий демон увеличивает собственную энтропию всякий раз, как получает информацию о движении молекулы. Энтропия всей системы остается неизменной, ибо демон и газ образуют единое целое. Судьба порой путешествует странными путями. Лео Сцилларду на склоне лет довелось лечиться у американского кардиолога Алвина Рейзена. У того был маленький сын Марк, который, когда вырос, стал физиком, профессором Техасского университета в Остине. В последние годы он и его коллеги разработали новый метод сверхглубокого охлаждения газов, в котором применяется лазерное устройство… аналогичное по своим действиям демону Максвелла.
Метод Рейзена
Уже несколько десятилетий физики доводят газ до температур в микрокельвины с помощью доплеровского поглощения лазерного излучения. Однако профессор Рейзен объяснил «Популярной механике», почему этот метод его не устраивает: «Он хорош, но слишком привередлив. Так можно охладить лишь отдельные вещества, в основном пары щелочных металлов. Наш метод гораздо более универсальный. Он применим для любого газа, атомы или молекулы которого могут находиться в двух долгоживущих метастабильных квантовых состояниях. Существует множество веществ, отвечающих этому требованию».
Классический демон на страже дверцы в перегородке сосуда (слева) и схема трехуровневой системы в эксперименте Рейзена (справа). Атомы в магнитно-гравитационной ловушке с помощью оптической накачки лазером в данном случае это и есть демон) переводятся из состояния B в состояние A через промежуточное состояние).
Метод, разработанный группой Рейзена, заключается в том, что сначала газ охлаждают до нескольких милликельвинов с помощью одного из надежных традиционных способов и запирают в магнитной ловушке, на которую направлены два лазера. Луч одного лазера пересекает полость ловушки в середине, а другой освещает лишь одну половину- допустим, правую.
«Для определенности будем считать, что газ атомарный, — говорит профессор Рейзен. — Назовем одно из возможных состояний его атомов синим, другое — красным. Настроим центральный лазер так, чтобы его излучение отталкивало атомы, пребывающие в красном состоянии. Второй лазер переводит атомы из синего состояния в красное. Будем считать, что сначала все атомы синие. Заполним ими ловушку и включим центральный лазер. Поскольку красных атомов нет, излучение и газ никак не взаимодействуют. Теперь подадим ток в боковой лазер. Каждый атом, который встретится с испущенным им фотоном, перейдет из синего состояния в красное. Если такой «перекрашенный» атом приблизится к центральной плоскости ловушки, его отбросит назад луч первого лазера. В результате в правой зоне будут накапливаться красные атомы, а левая опустеет. Так что наша пара лазеров работает аналогично демону Максвелла. При этом температура газа не меняется, а его давление, естественно, растет».
Атомы обладают собственной частотой колебаний, и если попасть в резонанс, то есть облучить его фотонами соответствующей частоты, атом поглотит его. Если частота фотонов будет чуть ниже, они будут поглощаться только атомами, движущимися навстречу (за счет смещения резонансной частоты благодаря эффекту Доплера). При поглощении фотон будет передавать атому импульс, уменьшая его скорость и тем самым «охлаждая» его (атом излучает фотоны, однако направление излучения спонтанно, так что в целом оно не оказывает влияния на импульс атома). Таким способом можно охладить атомы до температур порядка десятков милликельвин. Дальнейшее усовершенствование этого способа, за разработку которого физикам Стивену Чу, Уильяму Филипс и Клоду Коэн-Таннуджи в 1997 году вручили Нобелевскую премию, предусматривает охлаждение несколькими лазерными пучками в неоднородном магнитном поле, что позволяет достигать температур в сотни микрокельвин. Самая совершенная разновидность этой методики, которая позволяет достичь десятков и даже единиц микрокельвин — т.н. сизифово охлаждение атомов в лазерных пучках, которые за счет поляризации создают серию стоячих волн, проходя через которые, атомы теряют энергию, как бы поднимаясь «в гору» (отсюда и название).
Холодный газ, горячее излучение
Однако где же эффект охлаждения? «Теперь, — продолжает свое объяснение профессор Рейзен, — будем манипулировать центральным лазером таким образом, чтобы газ медленно заполнил всю полость ловушки. При таком расширении газ охлаждается. Вот, собственно, и все — цель достигнута. Эта теория уже проверена на опыте еще три года назад. Тогда мы провели первый эксперимент — охладили пары рубидия в тысячу раз (от милликельвинов до микрокельвинов). Эту технику мы назвали однофотонным охлаждением, поскольку для перехода между состояниями атому требуется рассеять всего один фотон. А вот доплеровский метод охлаждает газ посредством торможения атомов, для чего требуется много фотонов».
А как же энтропия? «С ней все в порядке, — успокоил нас профессор Рейзен. — Когда газ соберется в правой зоне, его энтропия, естественно, снизится. Однако вспомним, что кванты лазерного излучения при встрече с атомами хаотически рассеиваются во все стороны. При этом растет энтропия излучения, причем этот прирост полностью компенсирует снижение энтропии газа. Так что лазерный демон работает в полном соответствии с теорией Сцилларда. Конечно, и сам Максвелл, и еще несколько поколений физиков не верили в реальную осуществимость столь тонкого манипулирования газовыми частицами. Я и сам лет двадцать назад счел бы это чистой фантастикой. Но наука нередко добивается, казалось бы, невозможных целей — и это как раз такой случай. Думаю, Максвеллу бы наша разработка понравилась».
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.
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.
Загрузка...