Реальный демон Максвелла стал в десять раз мощнее
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» следит за величиной и направлением этих флуктуаций. Если амплитуда превышает определенное значение, то демон поднимает платформу вверх, фактически 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.
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.
Концепцию демона Максвелла физики используют и в более сложных системах. Например, недавно с помощью теоретической оценки термодинамических характеристик демона Максвелла ученые продемонстрировали возможность преобразования тепла в работу в системе из двух квантовых точек.
А до этого с помощью информационного двигателя другой группе ученых удалось упорядочить систему из 50 атомов цезия, помещенных в трехмерную оптическую ловушку и уменьшить энтропию системы почти в 2,5 раза.
Александр Дубов
Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
Физики собрали демона Максвелла для фотонов / Хабр
SLY_GВремя на прочтение 2 мин
Количество просмотров4.4K
Научно-популярное Физика Квантовые технологии
Физики из Нидерландов, Швейцарии и Германии создали тепловой насос квантовых размеров, состоящий из фотонов. Устройство приближает учёных к квантовому пределу измерения радиосигналов, что может оказаться полезным при поиске тёмной материи.
При соприкосновении предметов разной температуры тепло передаётся только от более нагретого к более холодному.
Если подождать достаточное количество времени, температура предметов сравняется: будет достигнуто тепловое равновесие. Передача температуры в обе стороны будет сбалансирована.
Можно приложить работу, нарушить баланс и заставить тепло перетекать в одном направлении. На этом принципе работают холодильники и кондиционеры. В 1867 году британский физик Джеймс Максвелл предложил мысленный эксперимент, получивший название «демон Максвелла», который якобы приводит к парадоксу с энтропией. Позднее учёные смогли объяснить, почему парадокса не происходит.
Наиболее эффективные тепловые насосы могут забирать тепло от холодного воздуха снаружи для обогрева вашего дома. А в научной публикации учёные демонстрируют квантовый аналог такого теплового насоса, в котором фотоны двигаются «против течения» — от горячего объекта к холодному.
Устройство представляет собой электронную схему, работающую с давлением фотонов, и состоит из сверхпроводящих индукторов и конденсаторов на кремниевом чипе, охлаждённом почти до абсолютного нуля.
В предыдущих экспериментах это позволило им охладить «горячие» фотоны до их основного квантового состояния. В новой работе дополнительный сигнал, отправленный в электронную схему, работает как усилитель «холодных» фотонов, и перенаправляет фотоны преимущественно в одну сторону. В результате одна часть схемы становится теплее другой – как в тепловом насосе.
В предыдущем исследовании учёные использовали это устройство для улавливания высокочастотных фотонов, а сейчас они смогли превратить его в усилитель. Теперь оно более чувствительно к сигналам радиочастотного диапазона. Такие частоты очень сложно измерять, и новое устройство может найти себе применение в различных областях, в том числе в поисках тёмной материи.
Теги:
- тепло
- демон максвелла
- фотоны
- тепловой насос
Хабы:
- Научно-популярное
- Физика
- Квантовые технологии
Всего голосов 19: ↑17 и ↓2 +15
Комментарии 0
Вячеслав Голованов @SLY_G
Научпоп. Проповедую в храме науки.
Сайт Сайт Сайт Twitter ВКонтакте
Комментарии Комментировать
Демон Максвелла | физика | Британика
- Развлечения и поп-культура
- География и путешествия
- Здоровье и медицина
- Образ жизни и социальные вопросы
- Литература
- Философия и религия
- Политика, право и правительство
- Наука
- Спорт и отдых
- Технология
- Изобразительное искусство
- Всемирная история
- Этот день в истории
- Викторины
- Подкасты
- Словарь
- Биографии
- Резюме
- Популярные вопросы
- Обзор недели
- Инфографика
- Демистификация
- Списки
- #WTFact
- Товарищи
- Галереи изображений
- Прожектор
- Форум
- Один хороший факт
- Развлечения и поп-культура
- География и путешествия
- Здоровье и медицина
- Образ жизни и социальные вопросы
- Литература
- Философия и религия
- Политика, право и правительство
- Наука
- Спорт и отдых
- Технология
- Изобразительное искусство
- Всемирная история
- Britannica объясняет
В этих видеороликах Britannica объясняет различные темы и отвечает на часто задаваемые вопросы.
- Britannica Classics
Посмотрите эти ретро-видео из архивов Encyclopedia Britannica. - Demystified Videos
В Demystified у Britannica есть все ответы на ваши животрепещущие вопросы. - #WTFact Видео
В #WTFact Britannica делится некоторыми из самых странных фактов, которые мы можем найти. - На этот раз в истории
В этих видеороликах узнайте, что произошло в этом месяце (или любом другом месяце!) в истории.
- Студенческий портал
Britannica — это главный ресурс для учащихся по ключевым школьным предметам, таким как история, государственное управление, литература и т. д. - Портал COVID-19
Хотя этот глобальный кризис в области здравоохранения продолжает развиваться, может быть полезно обратиться к прошлым пандемиям, чтобы лучше понять, как реагировать сегодня. - 100 женщин
Britannica празднует столетие Девятнадцатой поправки, выделяя суфражисток и политиков, творящих историю. - Britannica Beyond
Мы создали новое место, где вопросы находятся в центре обучения. Вперед, продолжать. Просить. Мы не будем возражать. - Спасение Земли
Британника представляет список дел Земли на 21 век. Узнайте об основных экологических проблемах, стоящих перед нашей планетой, и о том, что с ними можно сделать! - SpaceNext50
Britannica представляет SpaceNext50. От полёта на Луну до управления космосом — мы изучаем широкий спектр тем, которые подпитывают наше любопытство к космосу!
Содержание
- Введение
Краткие факты
- Связанный контент
«Демон Максвелла» Стивена Холла — постмодернистская загадка | Художественная литература
Томас Куинн, главный герой Демон Максвелла, — писатель, потерпевший неудачу как в художественном, так и в коммерческом плане; он также сын великого и известного писателя, ныне покойного.
В начале книги мы обнаруживаем, что Томаса все еще преследует его отчуждение от отца, но еще больше его преследует другой писатель, загадочный гений Эндрю Блэк, который был протеже своего отца. Единственная книга Блэка, Двигатель Купидона, был шедевром и бестселлером, изменившим индустрию. Много лет назад Блэк исчез после отказа выполнить издательский контракт, потому что его издатель не согласился с его требованием никогда больше не публиковать электронные книги. Существование электронных книг, по словам Блэка, приведет к апокалипсису.
Затем Томас получает письмо от Блэка, состоящее из одной строки – Как вы думаете, что это? — с фотографией загадочной черной сферы. Несмотря на предупреждение от агента, которого он делит с Блэком («Он проведет вас прямо через обрыв», — говорит она), Томас намеревается найти его и разгадать тайну. Вскоре персонажи романов появляются в реальной жизни, а целые города превращаются в выдуманные конструкции. К тому времени, когда Томас закончит, все, что, как он думает, он знает о мире, будет разрушено.
Вскоре персонажи из романов появляются в реальной жизни, и целые города становятся выдуманными конструкциями
Подобно дебюту Стивена Холла, 2007 г. элементы, измененные реальности и интертекстуальные шутки. Все, что происходит, является не просто сюжетной точкой, а отсылкой к такой сюжетной точке в других нарративах. Психология персонажей нарочито стилизована и искусственна; мир, в котором они живут, должен быть малоправдоподобной вселенной комиксов. Даже неряшливость сюжета можно рассматривать как развернутую шутку на тему энтропии, проходящую через всю книгу, и игру на Двигатель Купидона , Роман как совершенная, полностью упорядоченная машина. Все это может показаться запутанным, но удивительно очаровательный голос Холла уносит его за пределы сюжетных запутанностей, которые сбили бы менее уверенного в себе автора, и история развивается в действительно поразительном и остроумном направлении.
Когда вышла The Raw Shark Texts , рецензенты часто жаловались, что такие постмодернистские игры уже устарели.
Книга имеет существенные недостатки. Холл посвящает много страниц обзору крутых идей, настолько знакомых, что они стали стандартными шутками о том, что обкуренные первокурсники обсуждают на вечеринках: остров Пасхи, гностические евангелия, путешествие героя. Рассказчик (взрослый писатель 21 века) реагирует на эти вещи с наивной зачарованностью, как на новинки. Можно предположить, что это шутка о крутых идеях, типичных для книг такого типа, но эти разделы все же могут быть утомительными для любого, кто достаточно культурно грамотен, чтобы понять шутку.
Что еще более важно, когда книга начинает срывать пелену с реальности, открывая другие и разные реальности, она заходит слишком далеко на слишком малом топливе.
Мы никогда не получаем четкого представления о большинстве персонажей, поэтому возможные откровения о них представляют собой серию сырых пиропатронов. Предлагаемые реальности отрываются, прежде чем мы сфокусируем их. В самом конце такое ощущение, будто Холл с бешеной скоростью вытаскивает из-под себя коврики один за другим, пока он и коврики не бьются в одиночестве на полу бешеной кучей. Можно по-прежнему впечатляться количеством ковриков и скоростью их доставки, но в конце концов вы болеете за коврики, и когда коврики проигрывают (клянусь, эта метафора будет понятна людям, прочитавшим книгу) , вы уходите, чувствуя себя обманутым.
Несмотря на все это, Демон Максвелла неизменно веселый и часто впечатляющий. Я подозреваю, что читательский опыт во многом будет зависеть от их аппетита к этому жанру. Вряд ли это понравится людям, которых Томас Пинчон раздражает и которые закатывают глаза, глядя на «Дом из листьев» Марка З. Данилевски , , но читателям, которые любят подобные вещи, вероятно, это тоже понравится.
