Енциклопедичний YouTube
1 / 5
✪ Демон Максвелла
✪ Демон Максвелла
✪ Science show. Випуск № 58. Два демони теоретичної фізики
✪ Science show. Випуск 50. Візуалізація у фізиці
✪ Science show. Випуск № 63. Успіхи Теорії Великого Вибуху
Субтитри
Згідно з другим законом термодинаміки, ентропія Всесвіту постійно збільшується. Відповідно, коли у Всесвіті здійснюється будь-який процес, ентропія завжди буде більшою або дорівнює 0. І в попередньому ролику ми з'ясували, що це може мати дуже багато різних наслідків. Незалежно від того, як ви розумієте ентропію – як помножений на постійне число натуральний логарифм кількості станів, які може прийняти ваша система, або як тепло в системі, поділене на температуру, за якої воно додається, – обидва ці описи, у поєднанні з другим законом термодинаміки, кажуть нам: коли гаряче тіло знаходиться поруч із холодним – скажімо... Давай намалюємо. Ось це T1, а ось це – T2 - то тепло передаватиметься від гарячого тіла до холодного. Ми показали це у минулому ролику за допомогою математичних обчислень. Тепло передаватиметься у цьому напрямку. Один із людей, коментували минулий ролик, написав: «А чи не могли б ви розповісти про демона Максвелла?» Розповім! Тому що це дуже цікавий уявний експеримент, який начебто спростовує аналізований принцип і другий закон термодинаміки. Та й назва у нього дуже цікава – «демон Максвелла». Втім, «демоном» його, зважаючи на все, назвав зовсім не Максвелл, а Кельвін. Ну, ви знаєте, цим хлопцям все було цікаво. Отже, демон Максвелла. Це той самий Максвелл, ім'ям якого названо знамените рівняння, тому він дійсно цікавився дуже багатьма речами. Серед іншого він був першою людиною, якій вдалося створити кольорове зображення. Причому у середині ХІХ століття. Отже, маємо дуже проникливий учений. Але що таке демон Максвелла? Коли ми говоримо, що якесь тіло має вищу температуру, ніж інше, що ми маємо на увазі? Ми маємо на увазі, що середня кінетична енергія молекул цього тіла, що стикаються тут… що середня кінетична енергія цих молекул… вище, ніж середня кінетична енергія молекул тут. Зверніть увагу: я сказав – середня кінетична енергія. І ми говорили про це неодноразово. Температура – це макростан. Ми знаємо, що на мікрорівні всі ці молекули мають різну швидкість. Вони стикаються один з одним, передаючи один одному інерцію руху. Ось ця може рухатися дуже швидко у цьому напрямку. А ось ця може рухатись досить повільно. Ця може рухатися дуже швидко таким чином. А ось ця може рухатись досить повільно. Все це досить заплутано. Але ми можемо накреслити графік розподілу. Якщо ви знаєте мікростан всього, ви можете накреслити невелику гістограму. Скажімо, використовуємо шкалу Кельвіна. Погляньте, ось моя середня температура, але при цьому маю загальний графік розподілу частинок. Тобто ось це – кількість частинок. І вибудовувати якусь шкалу тут я не буду. Ви вловили основну ідею. Отже, у мене є безліч частинок, які складають T1, але я також маю певні частинки, які можуть бути дуже близькими до абсолютного нуля. Звичайно, їх буде небагато, але все ж таки. Тобто у вас є безліч, яка, ймовірно, становить T1, і безліч частинок, які могли б мати кінетичну енергію більш високу, ніж у T1. Вище, ніж середня кінетична енергія. Може, ми говоримо ось про цю. Можливо, це і є та частка, яка практично не має кінетичної енергії. Це означає, що ми маємо частинку, яка є практично повністю нерухомою, яка стоїть на одному місці. Ось у нас загальний графік розподілу частинок. Аналогічним чином, у цій системі T2, в середньому, молекули відрізняються нижчою кінетичною енергією. Але тут цілком може бути одна частка, яка має дуже високу кінетичну енергію. Але більшість із них у середньому відрізняються нижчою енергією. Отже, якщо ми намалюємо графік розподілу для T2, наша середня кінетична енергія буде нижче, але графік при цьому, ймовірно, буде виглядати приблизно ось так. Ні, не так. Ймовірно, він виглядатиме ось так. Або, можливо, ось так. Давайте спробуємо трохи інакше. Доведемо лінію ось сюди. Можливо, наш графік виглядатиме приблизно так. Отже, зверніть увагу – у Т1 є деякі молекули, які мають нижчу енергію, ніж середня кінетична енергія T2. Ось вони ці молекули. Ось ці повільні хлопці. І зверніть увагу – у Т2 є деякі молекули, які мають більш високу енергію, ніж середня кінетична енергія T1. Ось вони. Отже, є швидкі хлопці в T2, навіть незважаючи на те, що T2, скажімо так, холодніше і відрізняється нижчою середньою кінетичною енергією. Якщо подивитися на мікростан, ми побачимо окремі молекули, що рухаються досить швидко, та окремі молекули, які рухаються досить повільно. Отже, Максвелл сказав: «Гей, а що якби у мене був, – звичайно, він при цьому не використав слово «демон», але ми його вживемо, тому що воно виглядає дуже цікавим і таємничим, але насправді таким не є , - А що якби в мене був хтось, - давайте назвемо його демоном, - з невеликою лазівкою ось тут? Давайте я зроблю більш обережний малюнок. Отже, між двома цими системами... Допустимо, вони ізольовані. Допустимо, вони відокремлені один від одного. Ось T1 з безліччю частинок, що мають різну кінетичну енергію. А ось T2. Я роблю їх розділеними, і, можливо, вони пов'язані лише тут. T2. Ці хлопці мають повільнішу кінетичну енергію. І Максвелл, проводячи свій маленький уявний експеримент, сказав: "Уявіть, що в мене є хтось, завідувач однієї лазівкою - скажімо, ось цієї - і він її контролює". І завжди, коли реально швидка частка з T2, одна з цих, наближається до лазівки - летить до неї - припустимо, ось вона ... І ця частка рухається дуже швидко. Вона має дуже високу кінетичну енергію і чудово підходить для нашої лазівки. І тут демон каже: «Гей, бачу цю штуку. Вона прямує до моєї лазівки». Демон збирається відкрити свій люк і дозволити цій частинці проникнути в T1. І коли демон відкриє свій люк, ця частка продовжить свій рух і опиниться у T1. Демон знову закриває люк: він хоче, щоб швидкі частинки перейшли з T2 до T1. Коли він бачить повільну частинку, що наближається до нього, одну з ось цих, він знову відкриває свою лазівку і дозволяє частинці проникнути всередину. Це відбувається приблизно так. І якщо так буде продовжуватися далі, то чим все закінчиться? Що ж, врешті-решт відбудеться поділ – і це може зайняти якийсь час. Але поділ торкнеться всіх повільних частинок… Давайте це намалюю. Кордон у нас буде коричневим, тому що тепер не зовсім ясно, де що… чудово... Ми ще про це трохи поговоримо. Отже, ось кордон. А ось лазівка у ній. Що ж станеться наприкінці? Всі швидкі частинки… деякі з них вже були в T1, правда? Деякі швидкі частинки, що спочатку перебували в T1, будуть, як і раніше, по цей бік бар'єру. Давайте намалюємо це: головне – нічого не переплутати. Отже, тепер усі швидкі частинки з T2 також застрянуть тут. Тому що зрештою всі вони наблизяться до нашої лазівки, якщо почекати досить довго. Таким чином, ось тут теж накопичиться безліч часток, які спочатку перебували в Т2. Отже, у нас тут буде багато швидких частинок. Аналогічно, всі повільні частинки T2 залишаться з іншого боку. Ось вони ці повільні частки. І демон впустить всі повільні частинки T1 – я навіть більше не називатиму їх частинками T1. Я називатиму їх частинками 1. Так ось, демон впустить частинки 1 ось сюди. Повільні частки 1. Отже, що тут сталося? Це було гаряче тіло, а ось це холодне. Згідно з другим законом термодинаміки, тепло має перейти звідси – сюди. При цьому температура має стати приблизно рівною. Тобто гаряче тіло має стати холоднішим, а холодне – гаряче. Температура стане усередненою. Але що зробив наш маленький демон? Він зробив гаряче тіло ще гаряче, га? Тепер середня кінетична енергія тут ще вище. Демон перемістив всі ці частинки з високою кінетичною енергією ось сюди, так що тепер цей графік виглядатиме… Приблизно так, якби ви перемістили всі ці частинки ось сюди… Графік розподілу тепер виглядатиме приблизно так… Спробуємо… Для Т1 він виглядатиме ось так. А щодо T2… демон забрав усі гарячі звідси та холодні з T1. Відповідно, ось ці хлопці зникнуть. Тут їх не буде. І він додав їх до T2. Отже, графік розподілу для T2 виглядатиме ось так, це ми зітремо, звичайно. Демон забрав цих хлопців із T2. Давайте зітремо все це. Це був старий графік розподілу для T1. Отже, графік розподілу T2 тепер виглядає приблизно так. А новий середній показник для T2, ймовірно, буде приблизно таким. Це моя нова система Т2. І моя нова система T1 зрушить трохи праворуч. Середній показник буде вищим. Отже, наш демон, зважаючи на все, порушив другий закон термодинаміки. Давайте обведемо все це. Мої маленькі діаграми накладаються одна на одну. Цей приклад показує, що гаряче тіло стало ще гаряче, а холодне ще холодніше. Отже, Максвелл ніби каже нам: «Так ми порушили другий закон термодинаміки». І вчені ламали голову над цим протягом багатьох років. Навіть у двадцятому столітті деякі продовжували замислюватися про те, що тут не так. А не так тут ось що… І я доведу вам це за допомогою математичних обчислень… Це практично аналогічно прикладу з холодильником. У нас є демон, що відкриває маленьку лазівку, коли це буде зручно. Ось він це демон. Коли швидкі частинки переходять звідси чи повільні – ось звідси… Щоб робити це правильно, він повинен відслідковувати, де будуть усі частинки. Він повинен буде відстежувати усі частинки. А це не якісь макрочастинки. Це мікромолекули чи атоми. Демон повинен буде враховувати електрони, які можна побачити лише за допомогою спеціального мікроскопа. І при цьому він повинен буде відстежувати ось це безліч часток. Тільки подумайте про це! Якщо у нього немає суперздібностей, у нього має бути найкрутіший комп'ютер. Це має бути комп'ютер неймовірної потужності. Адже будь-який комп'ютер виробляє дуже багато тепла. Так ось, облік різних молекул для вимірювання швидкості їх руху теж вироблятиме тепло. Це буде дуже важка робота. Адже доведеться виміряти все! Демону доведеться серйозно попрацювати. Отже, відповідь полягає в тому, що... І це не так просто довести математично... Що якби ви дійсно хотіли створити подібного демона – і в сучасному світі ви, ймовірно, використали б для цього якийсь комп'ютер із різними датчиками , і дехто справді намагався зробити це на певному рівні… Так от, цей комп'ютер і вся його система створюватимуть велику ентропію – ось, ця дельта S. Він буде створювати більшу ентропію, ніж ентропія, що втрачається при охолодженні холодного боку та нагріванні гарячою. Отже, ми з демоном Максвелла не зробили нічого певного. Я не довів це математично. Але демон Максвелла - це дуже цікавий уявний експеримент, оскільки він дає вам трохи ширше уявлення про різницю між макро-і мікростанами. А також про те, що відбувається на молекулярному рівні в плані температури, і про те, як можна зробити холодне тіло ще холодніше, а гаряче ще гаряче. Але наша відповідь зовсім не є парадоксальною. Коли ви думаєте про ентропію цілої системи, ви повинні включати до її складу і самого демона. А якщо ви включите до складу системи самого демона, то він збільшуватиме ентропію щоразу, коли відкриватиме свою лазівку – щоб відкрити дверцята, потрібна певна енергія. Але при цьому демон створюватиме більшу ентропію, ніж ентропія, яка може бути втрачена, скажімо, коли одна з цих повільних частинок переходить ось на той бік бар'єру. Як би там не було, я просто хотів розповісти вам про це, тому що це справді цікавий уявний експеримент. До наступного ролика!
Суть феномена
У 2010 р. уявний експеримент насправді вдалося втілити фізикам з університетів Тюо (яп. 中央大学 ) та Токійського університету
У 2015 р. автономний штучний демон Максвелла був реалізований у вигляді одноелектронного транзистора з надпровідними алюмінієвими виводами. Такий пристрій дозволяє проводити велику кількість операцій виміру за малий проміжок часу.
Пояснення феномена Максвелла
Парадокс Максвелла вперше був дозволений Лео-Сілардом в 1929 р. на основі наступного аналізу.
Демон повинен скористатися будь-яким вимірювальним приладом для оцінки швидкостей молекул, наприклад, електричним ліхтариком. Тому треба розглянути ентропію системи, що складається з газу за постійної температури T 0 , (\displaystyle T_(0),)демона і ліхтарика, що включає заряджену батарейку та електричну лампочку. Батарейка повинна нагрівати нитку лампи ліхтарика до високої температури T 1 > T 0 (\displaystyle T_(1)>T_(0),)з метою отримання квантів світла з енергією ℏ ω 1 > T 0 (\displaystyle \hbar \omega _(1)>T_(0))для того, щоб кванти світла розпізнавались на тлі теплового випромінювання з температурою
За відсутності демона енергія E (\displaystyle E), що випромінюється лампочкою при температурі T 1 (\displaystyle T_(1))поглинається в газі за температури T 0 (\displaystyle T_(0))і загалом ентропія зростає: Δ S = E T 0 − E T 1 > 0 , (\displaystyle \Delta S=(\frac (E)(T_(0)))-(\frac (E)(T_(1)))>0,)так як 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.)
За наявності демона зміна ентропії: Δ S = ℏ ω 1 T 0 − p Ω 0 > 0. \Omega _(0)))>0.)Тут перший доданок означає збільшення ентропії при попаданні випромінюваного ліхтариком кванта світла в око демона, а друге доданок означає зменшення ентропії внаслідок зменшення статистичної ваги системи Ω 0 (\displaystyle \Omega _(0))на величину p, (\displaystyle p,)що призводить до зменшення ентропії 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))).)
Розглянемо цей процес докладніше. Нехай посудина з газом поділена на дві частини A (\displaystyle A)і B (\displaystyle B)з температурами T B > T A , T B − TA = ΔT , TB = 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.)Припустимо, що демон вибирає молекулу, що швидко рухається, з кінетичною енергією 3 2 T (1 + ϵ 1) (\displaystyle (\frac (3)(2))T(1+\epsilon _(1)))в області з низькою температурою A (\displaystyle A)і спрямовує її в область B. (\displaystyle B.)Після цього він вибирає молекулу, що повільно рухається, з кінетичною енергією. 3 2 T (1 − ϵ 2) (\displaystyle (\frac (3)(2))T(1-\epsilon _(2)))в області з високою температурою B (\displaystyle B)і спрямовує її в область A. (\displaystyle A.)
Для того, щоб попередньо вибрати ці дві молекули, демону потрібно щонайменше два світлові кванти, які приведуть при попаданні в його око до збільшення ентропії Δ S d = 2 ℏ ω 1 T 0 > 2.
Обмін молекулами призведе до зменшення повної ентропії 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)).)Величини ϵ 1 (\displaystyle \epsilon (1))і ϵ 2 , (\displaystyle \epsilon (2),)найімовірніше, малі, Δ T ≪ T (\displaystyle \Delta T\ll T)і тому Δ S m = − 3 2 ν , ν ≪ 1. (\displaystyle \Delta S_(m)=-(\frac (3)(2))\nu ,\quad \nu \ll 1.)
Таким чином, повна зміна ентропії буде Δ S = Δ S d + Δ S m = 2 ℏ ω 1 T 0 − 3 2 ν > 0. \hbar \omega _(1))(T_(0)))-(\frac (3)(2))\nu >0.)
Температура демона може бути і набагато нижчою за температуру газу T d ≪ T 0 . (\displaystyle T_(d)\ll T_(0).)При цьому він може приймати кванти світла з енергією. ℏ ω (\displaystyle \hbar \omega ), що випускаються молекулами газу при температурі T0. (\displaystyle T_(0).)Тоді наведені вище міркування можна повторити із заміною умов T 1 > T 0 , ℏ ω 1 > T 0 (\displaystyle T_(1)>T_(0),\quad \hbar \omega _(1)>T_(0))на умови T 2<
T
0
,
ℏ
ω
1
>T2. (\displaystyle T_(2)
У популярній культурі
У художній літературі
- У повісті «Понеділок починається в суботу» братів Стругацьких демони Максвелла пристосовані адміністрацією НІІЧАВО відкривати та закривати вхідні двері інституту.
- У розповіді Сергія Снігова «Право на пошук» одного з героїв називали «Володарем Демонів Максвела» «…чому я ношу дивну кличку Володар Демонов? Я, звичайно, поправив: не Король Демонов взагалі, а Король Демонів Максвелла ... Мені вдалося реально здійснити геніальну ідею Максвелла ».
- У «Кіберіаді» Станіслава Лема демон Максвелла згадується як «демон першого роду». Герої книги створюють «демона другого роду», здатного видобувати осмислену інформацію з руху молекул повітря.
Уявний експеримент полягає в наступному: припустимо, посудина з газом розділена непроникною перегородкою на дві частини: праву та ліву. У перегородці отвір з пристроєм (так званий демон Максвелла), який дозволяє пролітати швидким (гарячим) молекул газу тільки з лівої частини судини в праву, а повільним (холодним) молекул - тільки з правої частини судини в ліву. Тоді, через великий проміжок часу, «гарячі» (швидкі) молекули опиняться правому посудині, а «холодні» — «залишаться» у лівому.
Таким чином, виходить, що демон Максвелла дозволяє нагріти праву частину судини та охолодити ліву без додаткового підведення енергії до системи. Ентропія для системи, що складається з правої та лівої частини судини, в початковому стані більша, ніж у кінцевому, що суперечить термодинамічному принципу невтрати ентропії в замкнутих системах (див. Другий початок термодинаміки)
Парадокс дозволяється, якщо розглянути замкнуту систему, що включає демона Максвелла і посудину. Для функціонування демона Максвелла необхідна передача енергії від стороннього джерела. За рахунок цієї енергії проводиться поділ гарячих і холодних молекул у посудині, тобто перехід у стан з меншою ентропією. Детальний розбір феномена для механічної реалізації демона (храповик і собачка) наведено у Фейнманівських лекціях з фізики, вип. 4, а також у популярних лекціях Фейнмана "Характер фізичних законів".
З розвитком теорії інформації було встановлено, що процес вимірювання може призводити до збільшення ентропії за умови, що він є термодинамічно оборотним. Однак у цьому випадку демон повинен запам'ятовувати результати вимірювання швидкостей (прання їх із пам'яті демона робить процес незворотнім). Оскільки пам'ять кінцева, у певний момент демон змушений прати старі результати, що й призводить до збільшення ентропії всієї системи загалом.
Успіх японських фізиків
Японські фізики вперше змогли в експерименті досягти збільшення внутрішньої енергії системи, використовуючи лише інформацію про її стан і не передаючи їй додаткової енергії.
Одержання енергії з інформації вперше теоретично описав британський фізик Джеймс Максвелл у своєму уявному експерименті. У ньому якась істота, пізніше названа "демоном Максвелла", охороняла двері між двома кімнатами. Демон, знаючи енергію молекули, що наближається до дверей, відкриває прохід тільки для "швидких" молекул, закриваючи двері перед "повільними". В результаті в одній кімнаті виявляться всі "швидкі" молекули, а в іншій повільні, і різницю температур, що виникла, можна використовувати в практичних цілях.
Втілення такої "демонічної" енергоустановки вимагає набагато більших енергетичних витрат, ніж можна витягти з різниці температур, що утворюється, тому реальні двигуни, що працюють за таким принципом, ніколи всерйоз не розглядалися вченими. Проте інтерес до подібних систем знову виник останнім часом із розвитком нанотехнологій.
Автори дослідження, японські фізики, очолювані Масакі Сано (Masaki Sano) з Токійського університету втілили на практиці уявний експеримент за участю "демона Максвелла".
Вчені використовували в роботі полімерний об'єкт розміром близько 300 нанометрів, що нагадує намистину. Її форма підібрана так, що обертатися за годинниковою стрілкою їй енергетично вигідніше, оскільки це супроводжується вивільненням механічної енергії. Обертання проти годинникової стрілки, навпаки, призводить до "закручування" намистини та збільшення запасеної їй механічної енергії.
Намиста помістили в спеціальний розчин, і вона через свої малі розміри починала брати участь у броунівському русі і обертатися - як за годинниковою стрілкою, так і проти.
Дослідники за допомогою спеціального обладнання відстежували кожен поворот намистини, і коли вона оберталася проти годинникової стрілки, прикладали електричну напругу до ємності, в якій вона знаходилася. Така операція не передавала системі додаткову енергію, але при цьому не давала намист "розкручуватися" назад. Таким чином, використовуючи лише інформацію про те, куди перекинулася намистина, вчені змогли збільшити запас її механічної енергії лише за рахунок енергії броунівського руху молекул.
Закон збереження енергії у своїй не порушується. Згідно з розрахунками Сано, ефективність перетворення інформації в енергію в їхньому експерименті склала 28%, що узгоджується з теоретичними розрахунками.
Такий механізм може використовуватися для роботи наномашин або молекулярних механізмів, вважає Владко Ведрал (Vlatko Vedral), фізик з Оксфордського університету, який не брав участі в експерименті Сано, думку якого наводить інтернет-видання Nature News.
"Дуже цікаво було б виявити використання цього принципу передачі енергії в живих системах", - додав учений.
Відповідає провідний науковий співробітник лабораторії квантової теорії інформації МФТІ та Інституту теоретичної фізики імені Л.Д. Ландау РАН Гордій Лісовик:
— Згідно з одним із формулювань другого закону термодинаміки тепло переходить від гарячого тіла до холодного. Це звичайне та всім зрозуміле явище. Але якщо запустити в замкнуту систему Демона Максвелла (вважається, що він підвищує рівень упорядкованості в системі), то він здатний порушити природний порядок речей, і усунути безлад, якщо хочете. Він відображатиме високоенергійні атоми або молекули, змінюватиме потоки і тим самим запускатиме зовсім інші процеси всередині системи. Аналогічний процес можна здійснити за допомогою квантового пристрою.
Схематичне зображення демона Максвелла. Фото: Commons.wikimedia.org
Ми показали, що хоча квантова механіка загалом якраз і забезпечує цей класичний закон термодинаміки і забезпечує природний порядок речей, але штучно можна створити такі умови, за яких цей процес може бути порушений. Тобто тепер квантовий Демон Максвелла, простіше кажучи, штучний атом (його прийнято називати кубит, тобто квантовий біт) здатний зробити так, щоб тепло від холодного передавалося до гарячого об'єкта, а не навпаки. Це і є головною новиною в нашій роботі.
Найближчим часом ми плануємо створювати квантовий холодильник, в якому експериментальним шляхом запускатимемо природні потоки тепла назад. При цьому наш суперхолодильник буде здатний не сам витрачати енергію на перетворення, а (в певному сенсі) вилучати її з джерела, яке може бути розташоване за кілька метрів від нього. З цієї точки зору, наш квантовий холодильник буде (локально) абсолютно енергоефективним. Щоб уникнути непорозумінь, важливо наголосити, що при обліку віддаленого джерела енергії справедливість другого закону термодинаміки відновлюється, і світопорядок загалом порушений не буде.
Що ж до галузі застосування квантового Демона Максвелла, тобто. нашого пристрою, то перш за все це, звичайно, область квантової механіки. Ну, наприклад, звичайний комп'ютер при роботі часто нагрівається, те саме відбувається і з квантовими пристроями, тільки там ці процеси ще критичніші для нормальної роботи. Ми зможемо охолоджувати їх чи якісь окремі мікрочіпи. Зараз ми вчимося робити це із близькою до 100% ефективністю.
Ну і, звичайно, такі експерименти дозволять у майбутньому говорити про створення вічного двигуна другого типу. Ніяких батарейок не потрібно, двигун зможе витягувати енергію з найближчого теплового резервуара і за допомогою нього переміщати якісь наноустрою.
Вічний двигун другого роду - машина, яка, будучи пущена в хід, перетворювала б на роботу все тепло, яке витягується з навколишніх тіл. За законами термодинаміки досі вважається нездійсненною ідеєю.
Фізики з Фінляндії, Росії та США вперше автономного електронного демона Максвелла. Результати своїх досліджень автори опублікували у журналі Physical Review Letters. Що таке демони Максвелла і як вони можуть стати на заваді роботі комп'ютерів, розповідає «Лента.ру».
Інтрига навколо демонів Максвелла зберігається в науці вже 150 років. Концепцію надприродної істоти запропонував у 1867 році британський фізик Джеймс Клерк Максвелл. Йдеться про якийсь пристрій, що функціонує так, що це призводить до порушення (здається) другого початку термодинаміки - одного з фундаментальних законів природи.
У власному експерименті Максвелл взяв закритий балон з газом і розділив його на дві частини внутрішньої стінкою з невеликим люком. Відкриваючи та закриваючи люк, демон Максвелла розділяє швидкі (гарячі) та повільні (холодні) частинки. В результаті в балоні виникає різниця температур, а тепло передається від холоднішого газу до гарячішого, що здавалося б суперечить другому закону термодинаміки.
Другий закон термодинаміки визначає напрямок фізичних процесів. Зокрема, як показав німецький фізик Рудольф Клаузіус, він унеможливлює мимовільну передачу (тобто без роботи) тепла від холоднішого тіла гарячішому або, що те саме, зменшення ентропії (заходи безладдя) ізольованої системи. У формулюванні француза Саді Карно цей закон звучить так: теплова машина з коефіцієнтом корисної дії стовідсотково неможлива.
Друге початок термодинаміки було остаточно сформульовано у ХІХ столітті. Тоді це був закон для окремих випадків (його фундаментальний характер прояснився пізніше). Фізики шукали в ньому суперечності, і одне з них (поряд з тепловою смертю Всесвіту) і представив Максвелл у листі до свого колеги Пітера Тейта.
Парадокс одразу привернув до себе увагу вчених та аматорів науки. У XX столітті славу демона Максвелла затьмарив кіт (або кішка) Шредінгера. Тим часом, подібно до домашнього вихованця з квантової механіки, біс британського фізика послужив джерелом багатьох важливих відкриттів. Зокрема, завдяки йому виникла термодинамічна теорія інформації та пов'язане з нею уявлення про інформаційну ентропію.
У 1960-х роках дослідник з американської компанії IBM (International Business Machines) Рольф Ландауер сформулював принцип, якому надали його ім'я. Він пов'язав втрату біта інформації у будь-якій фізичній системі з виділенням відповідної кількості тепла (або, що те саме, підвищенням термодинамічної ентропії). Робота Ландауера мала фундаментальне значення для обчислювальної техніки, що зберігається досі. Вираз, названий на честь Ландауера, а також американців Клода Шеннона та Джона фон Неймана, дозволяє визначити граничні фізичні характеристики пристрою (насамперед його потужність і розміри), при яких знищується інформація. Створені людиною процесори пройшли шлях від розсіювання тепла, в мільярди разів більшого за прогнозований принцип Ландауера, до сучасних значень, що всього в тисячі разів перевищують його.
Нехай є осередок пам'яті, що містить закодовану в бітах інформацію (зі значеннями нуль та одиниця). Якщо знищити її (тобто перевести у стан, що містить лише нулі чи одиниці), виділиться тепло. Мовою термодинаміки це звернення ентропії системи на нуль, оскільки досягнуто максимально упорядкований стан (описуване лише нулями чи одиницями). Ландаеуер любив повторювати, що «інформація – це фізична величина», це було його девізом.
Вперше виміряли тепло, яке виділяється при знищенні біта інформації, вчені з Франції та Німеччини. Осередком пам'яті послужила кварцова намистина діаметром два мікрометри, поміщена у воду. За допомогою оптичного пінцету фізики створили пару потенційних ям, у яких могла виявитися намистина. Ці стани системи відповідали логічним значенням нуль та одиниця. При перекладі системи в один стан інформація стиралася. Машина враховувала безліч нюансів, зокрема флуктуації, чия роль зростала разом із зменшенням глибини ям. За допомогою рапіда фізики спостерігали перехід системи з одного стану до іншого. Процес супроводжувався тепловиділенням, температура води підвищувалася, і це фіксувалося. Отримані дані виявилися близькими до передбачуваного принципу Ландауера.
Але до чого тут демон Максвелла? Справа в тому, що при сортуванні гарячих і холодних молекул у думках експерименту Максвелла демон накопичує інформацію про швидкості частинок. Якоїсь миті пам'ять переповнюється, і демону для продовження роботи необхідно її стерти. Для цього потрібно зробити роботу, точно рівну роботі, яку теоретично можна було б витягти з системи гарячих і холодних частинок. Тобто другий закон термодинаміки не порушується. Однак виникає метафізичне питання про сутність, що стирає демону пам'ять. Чи не буде нею супердемон, що впливає на молодшого демона? Відповідь на це запитання вперше запропонував у 1929 році один із учасників Манхеттенського проекту американський фізик Лео Сілард. Пристрій, названий його ім'ям, забезпечує демону Максвелла автономну роботу.
Вперше його реалізувати вдалося японським ученим у 2010 році. Їхня електромеханічна модель являє собою полістиролову намистину діаметром близько 300 нанометрів, поміщену в електроліт. Електромагнітне поле не давало намисто переміщатися вниз, внаслідок чого вона набрала механічну (потенційну) енергію, пропорційну роботі поля. Демоном Максвелла у такій системі виступав спостерігач та його наукові інструменти, для функціонування яких необхідна енергія. Остання обставина знову не дозволяє порушити другий початок термодинаміки. На відміну від японських учених, їхні колеги з Фінляндії, Росії (Іван Хаймович з Інституту фізики мікроструктур Російської академії наук) та США вперше створили не електромеханічну, а повністю електронну машину Сіларда (автономного демона Максвелла).
Система заснована на одноелектронному транзисторі, який утворює невеликий мідний острів, підключений до двох надпровідних алюмінієвих виводів. Демон Максвелла контролює рух електронів різних енергій у транзисторі. Коли частка знаходиться на острові, демон притягує її позитивним зарядом. Якщо електрон залишає острів, демон відштовхує його за допомогою негативного заряду, що призводить до зниження температури транзистора та її підвищення у демона.
Всі маніпуляції демон виконує в автономному режимі (його поведінка визначається транзистором), а зміни температури вказують на кореляцію між ним та системою, так що все виглядає так, ніби демон Максвелла знає про стан системи та здатний нею керувати. Електронний демон дозволяє проводити велику кількість вимірювань за невеликий проміжок часу, а низькі температури у системі дають можливість реєструвати надзвичайно малі її зміни. Ця система також не порушує другий початок термодинаміки та узгоджується з інтуїтивно зрозумілим уявленням про те, що інформацію можна використовувати для виконання роботи.
Навіщо вченим потрібні такі дослідження? З одного боку, вони мають явний академічний інтерес, оскільки дозволяють вивчати мікроскопічні явища в термодинаміці. З іншого боку, показують, наскільки важливим є виробництво ентропії з інформації, одержуваної демоном. Саме це може бути, як вважають автори дослідження, корисним для проектування кубітів (квантових аналогів класичних бітів) квантових комп'ютерів, навіть незважаючи на прогрес у оборотних обчисленнях, розповідь про що виходить за рамки даної статті.
"Демон Максвелла"- це уявний експеримент, придуманий Джеймсом Максвеллом в 1867 році з метою проілюструвати парадокс Другого початку термодинаміки. Головним персонажем цього експерименту є гіпотетична розумна мікроскопічна істота, що отримала пізнє ім'я "демон Максвелла".
Припустимо, що посудина з газом розділена непроникною перегородкою на праву та ліву частини. У перегородці є отвір з пристроєм, так званим демоном Максвелла, який дозволяє пролітати швидким, гарячим молекул газу тільки з лівої частини судини в праву, а повільним, холодним молекул - тільки з правої частини судини в ліву.
Тоді через якийсь досить великий проміжок часу всі гарячі молекули виявляться праворуч, а холодні - ліворуч. Таким чином, виходить, що демон Максвелла без додаткового підведення енергії може нагріти одну частину судини та охолодити іншу.
Через війну виходить, що ентропія системи, що з двох половинок, у початковому стані більше, ніж у кінцевому, але це суперечить термодинамическому принципу невтрати ентропії в замкнутих системах, тобто. другого початку термодинаміки.
Адже з другого початку термодинаміки випливає, що неможливо без роботи передати тепло від тіла з меншою температурою тілу з більшою температурою.
Парадокс дозволяється, якщо розглянути замкнуту систему, що включає демона Максвелла і посудину. Для функціонування самого демона Максвелла потрібно передавати йому енергію від стороннього джерела. За рахунок цієї енергії і проводилося б поділ гарячих та холодних молекул
Ось такий пам'ятний барельєф з'явився на честь Джеймса Максвелла та його невловимого демона на стіні одного з університетів США.
А якби такий демон міг існувати насправді, то можна було б створити теплову машину, яка працювала б без споживання енергії.
З розвитком теорії інформації було встановлено, що процес вимірювання може призводити до збільшення ентропії за умови, що він є термодинамічно оборотним.
Однак у цьому випадку демон повинен запам'ятовувати результати вимірювання швидкостей (прання їх із пам'яті демона робить процес незворотнім).
Оскільки пам'ять кінцева, у певний момент демон змушений прати старі результати, що й призводить до збільшення ентропії всієї системи загалом.
У 2010 р. уявний експеримент насправді вдалося втілити фізикам з Токійського університету. Вчені зазначили, що створення даного експерименту їх надихнув знаменитий демон Максвелла. Японським фізикам вперше вдалося перетворити інформацію на енергію.
Вони створили працюючу нанорозмірну систему, яка дозволяє конвертувати інформацію в енергію з ККД близько 28 відсотків (для порівняння, ККД найсучасніших двигунів внутрішнього згоряння трохи перевищує 40 відсотків). Вчені не виключають, що в майбутньому розроблений ними принцип дозволить створити системи, в яких розміри і керованого об'єкта, і демон не перевищуватимуть сотень нанометрів.
А у 2015 році фізики з Фінляндії, Росії та США створили автономний штучний демон Максвелла, який був реалізований у вигляді одноелектронного транзистора із надпровідними алюмінієвими висновками. Демон Максвелла контролює рух електронів через транзистор.
Установка допоможе вивчати мікроскопічні явища у термодинаміці та може знайти застосування у кубітах для квантових комп'ютерів.
Завантаження...