Silnik informacyjny. Ujeżdżanie demona
Eksperyment, o którym mowa, przeprowadził zespół naukowy pod kierownictwem Hyuka Kyu Paka z Instytutu Nauk Podstawowych w Ulsan w Korei Południowej. Jego opis znalazł się w "Physical Review Letters".
"Poszukiwania nowych silników wytyczały postęp w dziedzinie termodynamiki i mechaniki od czasu, kiedy w 1824 r. Carnot wyznaczył limit wydajności silników cieplnych", pisze Pak w opublikowanym opracowaniu. "Przetwarzanie informacji w formie 'demonów' wprowadziło nowe ograniczenia, konieczne było więc ich zweryfikowanie doświadczalne."
Tradycyjnie maksymalną sprawność, z jaką silnik może przetwarzać energię na pracę, ogranicza druga zasada termodynamiki. Jednak eksperymenty przeprowadzone w ostatnich latach pokazały, że efektywność silnika może przekraczać limity wynikające z tej zasady. Jeśli bowiem silnik uzyskuje informacje z otoczenia, jest w stanie przekształcić je w pracę. Owe silniki informacyjne - nazywane obrazowo "demonami Maxwella", od pierwszej koncepcji takiego urządzenia - mogą działać dzięki fundamentalnemu związkowi informacji z termodynamiką, jaki naukowcy ciągle starają się w pełni zrozumieć.
Najnowsze eksperymentalne demonstracje silników informacyjnych zrodziły pytanie o sprawność, z jaką potrafią one przekształcić informacje w pracę. W odpowiedzi naukowcy opracowali niedawno uogólnione drugie prawo termodynamiki, które uwzględnia zarówno energię, jak i informacje przetwarzane na pracę.
Uogólniona druga zasada termodynamiki stanowi, iż praca silnika informacyjnego to suma dwóch komponentów. Pierwszy to różnica pomiędzy stanem końcowym a początkowym (konwencjonalna termodynamika). Drugi to ilość dostępnych informacji (dodatkowa praca, pochodząca z informacji).
Jak dotąd jednak żaden prototypowy silnik informacyjny nie zbliżył się do przewidywanych teoretycznie poziomów sprawności.
Energia informacji
Aby osiągnąć maksymalną wydajność wyznaczoną przez uogólnione drugie prawo, naukowcy z koreańskiej uczelni zaprojektowali silnik informacyjny zbudowany z cząstki elementarnej, "chwytanej" przez światło w temperaturze pokojowej. Przypadkowe fluktuacje termiczne powodują, że maleńka cząstka porusza się lekko, a fotodioda śledzi zmienną pozycję cząstki z przestrzenną dokładnością jednego nanometra. Jeśli cząstka porusza się w określonym kierunku w pewnej odległości od punktu początkowego, pułapka światła szybko przesuwa się w kierunku cząsteczki. Proces ten powtarza się tak, że w miarę upływu czasu silnik transportuje cząstki w pożądanym kierunku, pobierając pracę z informacji uzyskiwanych z przypadkowych fluktuacji termicznych.
Jedną z najważniejszych cech tego systemu jest niemal natychmiastowa reakcja sprzężenia zwrotnego - pułapka przesuwa się w ułamku milisekundy, dając cząstce czas na dalsze poruszanie się i rozpraszanie energii. W rezultacie prawie nic z energii uzyskanej w wyniku tej zmiany nie jest tracone na ciepło, lecz wszystko zostaje przekształcane na pracę. Dzięki uniknięciu straty informacji, konwersja informacji na energię w tym procesie osiąga ok. 98,5% wartości stuprocentowego limitu określonego przez uogólnioną drugą zasadę. Wyniki stanowią wsparcie dla tego wiązania i ilustrują możliwość wyciągnięcia nieomal maksymalnej wartości pracy z informacji.
Wyniki tego eksperymentu mogą również prowadzić do praktycznych zastosowań, które naukowcy planują zbadać w przyszłości. Jak pisze w publikacji Pak, "można myśleć o systemach inżynieryjnych, w których informacje są wykorzystywane do kontrolowania procesów molekularnych i sterowania nimi we właściwym kierunku. Jedną z opcji jest stworzenie hybryd systemów biologicznych i inżynieryjnych, nawet w żywej komórce.".
Mawia się czasem - "Kto ma informację, ten ma władzę". Z powyższego wynikałoby, że kto ma informację, ma energię i pracę.
