در سال 1867، فیزیکدان جیمز کلرک ماکسول کار بسیار شیطانی انجام داد.
او نقض آشکار قانون دوم ترمودینامیک را پیشنهاد کرد، چنان شیطانی هوشمندانه که فیزیکدانان دیگر از آن زمان در تلاش برای حل آن هستند.
آزمایش فکری او یک “دیو” را تجسم می کند – یک موجود کوچک و هوشمند که در درگاهی بین دو محفظه پر از گاز قرار دارد و فقط ذرات سریع را در یک طرف و ذرات کند را در طرف دیگر اجازه می دهد – نتیجه نهایی گرما در یک اتاق و سرما در اتاق دیگر است.
مشکل این است که آنتروپی را کاهش می دهد – چیزی که طبق قانون دوم ترمودینامیک، نمی تواند در یک سیستم ایزوله بدون افزایش جبرانی در جای دیگر اتفاق بیفتد.
با این حال، شیطان ماکسول ظاهراً بدون انجام هیچ کاری به این امر دست می یابد. این کودک پوستر برای بیکاری است.
اکنون تیم جدیدی از فیزیکدانان این مشکل را تشدید کرده اند.
با استفاده از اطلاعات پنهان در حافظه سیستم فیزیکی، محققان نشان دادند که متقلب می تواند انرژی بیشتری نسبت به یک سیستم بدون حافظه که از آن صرف نظر می کند استخراج کند.
برای روشن شدن، پارادوکس اصلی ماکسول مدتهاست که حل شده است. به هر حال تعداد دیو رایگان نیست: اطلاعات فیزیکی است و پردازش آن مستلزم هزینه های ترمودینامیکی است که قانون دوم را حفظ می کند.
اما قطعنامه چیز جالبی را فاش کرد. از اطلاعات مربوط به یک سیستم فیزیکی می توان برای استخراج کار مفید از آن سیستم استفاده کرد.
و برای نشان دادن این ایده، فیزیکدان Clemens Behinger از دانشگاه کنستانز در آلمان و همکارانش یک نسخه واقعی از دیو ماکسول را ساختند.
در اینجا نحوه عملکرد آن آمده است. محققان از لیزر برای به دام انداختن یک مهره شیشه ای میکروسکوپی در یک مایع استفاده کردند. با این حال، حتی زمانی که در چنگ لیزر گرفتار شد، مهره کاملاً ثابت نبود. به طور مداوم توسط مولکول های اطراف خود تکان می خورد و باعث می شد که به طور تصادفی در پدیده ای به نام حرکت براونی تاب بخورد.
با نظارت بر موقعیت مهره، محققان می توانند تعیین کنند که چه زمانی باید تله لیزری را حرکت دهند تا از حرکات آن بهره ببرند و مقداری انرژی در این فرآیند استخراج کنند.
این اصل اساسی ماشین اطلاعات است – استفاده از دانش یک سیستم برای تبدیل حرکت تصادفی به کار مفید.
اما یک گرفتاری وجود دارد. موتور اطلاعات فقط می تواند از اطلاعاتی که به آنها دسترسی دارد استفاده کند. و در دنیای واقعی، برخی از این اطلاعات را می توان پنهان کرد.
و اینجاست که سیستم بچینگر شروع به گسترش فراتر از دیو استاندارد باتلاق ماکسول می کند – زیرا این مایع آب باتلاق استاندارد نیست.
مملو از رشته‌های مولکولی اسپاگتی‌مانند به نام میسل است که یک شبکه میکروسکوپی را تشکیل می‌دهند که محققان نمی‌توانند مستقیماً حرکات آن را مشاهده کنند.
این سازه‌ها در هم پیچیده شدند و خود را مرتب کردند، زیرا دانه‌ها حرکت کوچک خود را رقصیدند، و آثاری از حرکت گذشته خود را حفظ کردند که می‌توانست بر مکان بعدی تأثیر بگذارد.
بنابراین، اگرچه محققان نمی‌توانستند مستقیماً وب را مشاهده کنند، می‌توانستند از حرکات مهره‌ها برای جمع‌آوری اطلاعات در مورد آن استفاده کنند.
آنها به جای اینکه به سادگی موقعیت مروارید را یک بار اندازه گیری کنند، آن را دو بار با فاصله زمانی دقیق بین مشاهدات اندازه گیری کردند.
این لحظه بحرانی بود.
اگر اندازه‌گیری‌ها خیلی نزدیک به هم انجام می‌شد، اطلاعات کمی در مورد دینامیک پنهان سیال نشان می‌داد. اگر خیلی از هم دور بودند، وب شروع به فراموش کردن حرکات قبلی مهره ها کرده بود. محققان یک نقطه شیرین را با فاصله حدود یک ثانیه پیدا کردند.
مقایسه نتایج به آنها این امکان را داد تا بفهمند که چگونه شبکه اطراف مختل شده است – و چگونه می تواند بر حرکت بعدی مهره ها تأثیر بگذارد.
این به آنها اجازه داد تنظیمات تله لیزری خود را به طور موثرتری پیدا کنند و انرژی را استخراج کنند که در غیر این صورت در دسترس باقی می ماند.
تحت شرایط خاص، این استراتژی به محققان اجازه می‌دهد تا سه برابر بیشتر از حد تئوری برای یک سیستم معادل بدون حافظه پنهان میسلی کار استخراج کنند.
اگر به یک تصویر ذهنی نیاز دارید، یک کوفته را تصور کنید که در وان سوپ اسپاگتی نامرئی قرار گرفته است.
تحقیقات مانند این است که دوبار تکان خوردن کوفته را تماشا کنید تا بفهمید اسپاگتی در حال انجام چه کاری است، و سپس از آن اطلاعات برای حرکت دادن تله لیزری خود به گونه ای استفاده کنید که انرژی اضافی را از پویایی پنهان سوپ استخراج کند.
نکته بعدی که احتمالاً از خود می پرسید این است که آیا این کار فایده ای عملی دارد یا اینکه همه چیز در مورد دادن ابزار جدیدی برای شیطنت فیزیکی به شیطان ماکسول است.
خوب، حداقل در حال حاضر، بیشتر این دومی است. محققان ماشین کوچکی برای انجام یک کار مفید ایجاد نکرده اند. در عوض، آنها روش جدیدی را برای استخراج انرژی از یک سیستم میکروسکوپی نشان دادند – و در این فرآیند درک ما از آنچه موتورهای اطلاعاتی می توانند به دست آورند را ارتقا دادند.
این ممکن است پیامدهایی برای فناوری‌های آتی داشته باشد که در مقیاس میکروسکوپی عمل می‌کنند، به ویژه در محیط‌های پیچیده مانند سیالات بیولوژیکی، جایی که پیش‌بینی فعل و انفعالات بین ذرات و محیط آنها دشوار است.
به جای تلقی این فعل و انفعالات به عنوان یک مانع، تحقیقات جدید نشان می دهد که می توان از آنها به عنوان منبع اضافی انرژی مفید استفاده کرد.
محققان نوشتند: «نتایج ما حافظه محیطی را به عنوان یک منبع ترمودینامیکی قابل دسترسی تجربی نشان می‌دهد.
این مطالعه در منتشر شد فیزیک طبیعی.
این مقاله توسط ربکا دایر تصحیح و توسط ربکا دایر ویرایش شده است. در حالی که ما به روند خود افتخار می کنیم، اما فقط انسان هستیم. اگر خطایی را مشاهده کردید، لطفاً به ما اطلاع دهید.
