Zostań w domu, zamów taniej!
Nie wychodź z domu i zamów online swoje ulubione pisma 20% taniej. Skorzystaj z kodu rabatowego: czytajwdomu

Silnik informacyjny. Ujeżdżanie demona

Silnik informacyjny. Ujeżdżanie demona
Fizycy zademonstrowali silnik informacyjny - urządzenie, które przekształca informacje w pracę „bez strat”. Należy to rozumieć w ten sposób, że w tym mechanizmie, zgodnym tzw. uogólnioną drugą zasadą termodynamiki, żadna informacja nie jest tracona.

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".

Hyuk Kyu Pak
Hyuk Kyu Pak

"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.

Demon Maxwella (copyright: Institute of Basic Science)

 

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.

 

Demon Maxwella - koncept zaproponowany przez Jamesa Clerka Maxwella jako rodzaj eksperymentu myślowego, mającego unaocznić sens fizyczny drugiej zasady termodynamiki, zabraniającej m.in. powstania znacznej różnicy temperatur dwóch odizolowanych od otoczenia ciał mających pierwotnie tę samą temperaturę i mogących swobodnie wymieniać między sobą ciepło lub masę. Precyzyjniej mówiąc, bez demona żaden układ termodynamicznie izolowany nie może zmniejszać swojej entropii. Oryginalna definicja demona została podana przez jego autora w 1867 r.: "... jeśli wyobrazimy sobie istotę potrafiącą podążać za każdą molekułą z osobna, to taka istota, mimo iż miałaby takie same atrybuty istnienia jak my, byłaby zdolna do czynów, które są dla nas niewykonalne. Jak dowiedliśmy, cząsteczki w naczyniu pełnym powietrza w stałej temperaturze poruszają się z najróżniejszymi prędkościami, jednakże średnia prędkość dowolnej dużej, losowo wybranej ich liczby jest zawsze niemal jednakowa. Wyobraźmy sobie, że naczynie to jest podzielone na dwie części A i B przegrodą, w której znajduje się mały otwór i nasza istota zdolna widzieć pojedyncze cząsteczki, która otwiera i zamyka ten otwór, tak aby przepuszczać tylko szybsze cząsteczki z A do B i tylko wolniejsze z B do A. Będzie ona zatem bez wydatkowania pracy zwiększała temperaturę B i zmniejszała A, w sprzeczności z drugim prawem termodynamiki."