Физики конвертировали информацию в энергию

Ученым удалось впервые продемонстрировать информационный тепловой двигатель, который может произвести революцию в области способа подпитки энергией наноустройств.

Представьте себе, что есть крошечные ступеньки, на самой нижней из которых находится маленькая полистероловая бусинка (такую лестницу можно без труда сделать, используя электрические поля).

Естественно, такая бусинка подвергается постоянному давлению молекул, которые хаотически двигаются вокруг нее, вследствие известного феномена под названием броуновское движение.

Чаще всего, броуновское движение сталкивает бусинку вниз, но иногда, давление набирает силу достаточную для выталкивания бусинки на одну ступеньку вверх.

Если следить за бусинкой с помощью камеры, то можно подмечать, когда бусинка переходит на ступеньку выше и в этот момент менять электрическое поле таким образом, чтобы она не могла спуститься ниже. То есть позади бусинки образуется своеобразные барьер.

При неоднократном повторении данного процесса, бусинка будет двигаться вверх по лестнице, за счет броуновского движения.

Такой эксперимент и был успешно проведен Шоичи Тоябе из университета Чуо в Токио и несколькими его коллегами. Полученные результаты свидетельствуют, что бусинка, каким-то образом, может извлекать энергию из окружающего пространства, что, на первый взгляд, противоречит второму закону термодинамики.

Конечно, смысл этого эксперимента глубже, чем кажется на первый взгляд. Тоябе с коллегами создали экспериментальную версию знаменитого демона Максвелла. Представьте себе коробку наполненную воздухом, но разделенную на две половины перегородкой. Демон Максвелла является воображаемым существом, которое способно давать доступ через перегородку (только в одну сторону, допустим слева направо) только самым быстрым молекулам, перекрывая дорогу для медленных частиц.

В конце концов, быстрые молекулы скопятся на одной из сторон, которая станет горячей, а другая сторона охладится. Таким образом, удалось совершить работу по охлаждению одной стороны и нагреванию другой, без затрат дополнительной энергии.

Вопрос состоит в том, нарушает ли демон Максвела второй закон термодинамики, согласно которому, тепло не может передаваться от холодного тела к горячему.

В наше время принято считать, что демон Максвелла не нарушает второй закон термодинамики, так как перед тем, как решить какие молекулы в какую сторону пропускать, он должен измерить их скорость, а это само по себе требует энергии. Таким образом, противоречия здесь нет.

Но в систему не поступает энергия в традиционном ее понимании: ничего не нагревается и не происходит ускорение молекул. Вместо этого, сама информация является средством передачи энергии.

Ранее, это было всего лишь любопытным мысленным экспериментом. Но Тоябе с коллегами удалось провести данный эксперимент на практике, впервые продемонстрировав подобную передачу энергии. В сущности, они конвертировали информацию в энергию.

Здесь нет нарушения законов термодинамики. Они использовали видеокамеру, чтобы определить место нахождения бусинки - и принимая во внимание потребление энергии видеокамерой, все работает в соответствии с выводами термодинамики.

Трудно переоценить значение их достижений: им удалось управлять наномеханизмом, состоящим из бусинки, взбирающейся по лестнице, используя информацию в качестве источника энергии.

Они рассказали, что это совершенно новый тип двигателя, который они назвали информационным тепловым двигателем. Не трудно представить каким потенциалом обладает данное открытие.

Это позволит питать наномашины, используя информацию в качестве передатчика энергии, даже не обладая прямой связью с наномеханизмом.

Сегодня ученые поставили перед собой следующую задачу по уменьшению системы наблюдения. Видеокамера слишком велика. Естественно, намного удобнее было бы использовать какой-либо микроскопический способ по слежению за окружающей средой, чтобы использовать собранную информацию для питания наноустройства.

Пока не ясно как это можно сделать, но Тоябе с коллегами уже работают над этим.

Оригинал (на англ. языке): Technologyreview

• IBM ускоряет обучение ИИ на скорости света при минимальном энергопотреблении
• Учёные впервые визуализировали форму одиночного фотона
• Солнечная система для зарядки электромобилей
• Крупнейший электрический самолёт взлетит в 2025 году
• ДНК-биочернила открывают новые горизонты для 3D-печати кровеносных сосудов
• Исследователи улучшили эффективность и долговечность солнечных элементов
• Тёмная материя: Как камера отслеживает невидимое
• Мягкий, растяжимый электрод имитирует тактильные ощущения с помощью электрических сигналов