Физики создали информационный двигатель (систему, преобразующую информацию о термических флуктуациях в механическую энергию), мощность которого, как минимум, в десять раз превышает характеристики предыдущих аналогичных устройств. Принцип работы двигателя основан на отборе нужных тепловых флуктуаций броуновской частицы, которые увеличивают потенциальную энергию всей системы, пишут ученые в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Демон Максвелла — элемент мысленного эксперимента, который по задумке может нарушать второе начало термодинамики. Это умозрительное существо, которое находится на границе между двумя половинами сосуда с газом и сортирует подлетающие к нему молекулы по скорости, собирая медленные молекулы в одной половине, а быстрые — в другой. Таким образом можно уменьшить энтропию системы, не совершая работы над газом, поэтому, если на оценку состояния молекул и их сортировку не тратится слишком много энергии, такая схема фактически приводит к нарушению второго начала термодинамики.
В течение XX века физики предлагали и другие аналогичные концепции информационного двигателя — устройства, которое тем или иным образом преобразует информацию, например о тепловых флуктуациях частиц, в потенциальную энергию. Подробнее о различных вариациях демона Максвелла вы можете прочитать в нашем материале «Работай, черт». Один из таких вариантов — схема, предложенная в 1929 году венгерским физиком Лео Силардом. Его информационный двигатель представляет собой разделенную перегородкой камеру с единственной молекулой, «демон» же изменяет массу частицы в зависимости от того, в какой половине она находится и в каком направлении двигается. Изотермическое расширение камеры после работы демона позволяет запасти потенциальную энергию поля тяжести из-за увеличения высоты поднятой массы. Основной вопрос к такой схеме — баланс между уменьшением энтропии в результате деятельности такого демона и повышением энтропии во время измерения состояния молекулы, которое можно оценить по принципу Ландауэра.
Однако кроме собственно эффективности, при реализации таких схем, проблемой остается и скорость работы таких устройств. Новый рекорд по мощности удалось установить физикам из Университета Симона Фрейзера под руководством Джона Бекхофера (John Bechhoefer). Предложенная учеными система представляет собой погруженную в воду коллоидную частицу из оксида кремния, которая присоединена пружинкой к подвижной платформе. Вертикальное положение этой частицы фиксируется с помощью горизонтальной оптической ловушки. Частица при этом может совершать небольшие тепловые флуктуации по вертикали, а «демон» при этом следит за величиной и направлением этих флуктуаций. Если амплитуда превышает определенное значение, то демон поднимает вверх платформу, присоединенную к частице пружинкой. Поэтому нужные тепловые флуктуации фактически поднимают платформу вверх, запасая энергию. Топливо такого двигателя — информация о состоянии частицы. Поэтому за счет отбора только нужных тепловых флуктуаций удается преобразовать информацию о них в потенциальную энергию.
Оценки для скорости (сверху) и мощности (снизу) информационных двигателей в зависимости от жесткости пружины (слева) и эффективной массы частицы (справа)
Tushar Saha et al. / Proceedings of the National Academy of Sciences, 2021
Основное отличие этого информационного двигателя от предыдущих подобных схем — возможность фактически собирать каждую порцию выигранной таким образом энергии в отдельный резервуар и за счет этого увеличивать скорость работы двигателя и, соответственно, его мощность. Теоретические оценки показали, что наиболее важные параметры этой системы зависят только от ее физических характеристик: размера частицы, жесткости пружины, трения и температуры среды, и при этом никак не связаны с частотой наблюдений и измерений. Мощность информационного двигателя, по оценкам авторов работы, составляет не меньше, чем 1066 kBT в секунду, — это соответствует значениям для биологических систем (молекулярных моторов в живых клетках и быстро плавающих бактерий) и на порядок величины превосходит характеристики всех предыдущих подобных двигателей.
При этом ученые отмечают, что фокус их работы был направлен именно на увеличение мощности двигателя, а не на повышение эффективности, поэтому дальнейшая оптимизация системы измерения состояния частицы и схемы обратной связи должна привести к уменьшению энтропии и выигрышу в эффективности.
