Нов информационен двигател избутва границите на термодинамиката

Конвенционална термодинамика

Физици създадоха устройство, което експериментално надхвърля конвенционалния втори закон на термодинамиката. Устройството е информационен двигател, който превръща информацията в работа и е първият такъв двигател, който се придържа към нововъведения „генерализиран“ втори закон за термодинамиката. Изследването е публикувано в изданието Physical Review Letters.

Традиционно вторият закон на термодинамиката гласи, че тоталната ентропия (мярка за безпорядък) не може да намалява с течение на времето в изолирана система, в която енергията и материята не могат нито да влизат, нито да излизат. Според закона, има ограничение на количеството енергия, която може да бъде превърната в работа, защото конвертирането не може да бъде 100% ефективно.

Учени от Института по фундаментални науки в Улсан, Южна Корея и Националния институт по наука и технологии в Улсан са намерили начин да надхвърлят този „таван“ на ефективност, което предполага, че има още много какво да се разбере за мистериозната връзка между информацията и термодинамиката.

Учените са постигнали това като са създали информационен двигател (наричан понякога Демон на Максуел), използвайки частица, затворена в светлина на стайна температура. Поради промяната на температурата на случаен принцип, частицата се движи леко, а движението се следи от фотодиод. Ако частицата се придвижи чувствително в определена посока, светлинният капан също се придвижва в посоката на частицата, следвайки я.

Демон на Максуел, художествена интерпретация. Govind Paneru and coauthors

След много повторения с течение на времето, този информационен двигател може да транспортира частицата в определена посока само като извлича „работа“ от информацията, генерирана от произволните термични промени. В тази система няма компонент „свободна енергия“, така че това не оказва ефект.

Избутване на граници

Резултатите от това „демонично“ устройство подкрепят възможността за двигател, който не генерира загуби, при който виртуално цялата налична информация се конвертира в работа. Това именно преначертава границата в термодинамиката.

„Мисленето за двигателите ускорява развитието на термодинамиката и статистическата механика още откакто Карно определи лимита за ефективността на топлинните двигатели през 1824 г.“, заявява физикът Хюк Кю Пак, автор на това изследване пред Phys.org. „Добавянето на обработка на информация под формата на „демони“ поставя нови ограничения и е важно да се проверят новите граници в експеримента.“

Това експериментално устройство надхвърля конвенционалната термодинамика, но и повдигна въпроса дали ефективността, с която информацията може да се превърне в работа, всъщност е ограничена изобщо. За да проучи този потенциал, екипът физици се обръща към новия теоретизиран генерализиран втори закон на термодинамиката.

Докато конвенционалният закон ограничава „създадената“ работа в информационния двигател само до разликата между началната и крайната свободна енергия, генерализираният закон добавя второ ограничение – количеството налична информация. Този втори компонент разширява границата, създадена първоначално от конвенционалния закон, позволявайки системата да бъде по-ефективна чрез допълнителната работа, която може да бъде извлечена от информацията.

Новата теория прогнозира резултатите от експеримента почти перфектно, като информационният двигател постига около 98,5% от най-високата ефективност, позволена от генерализирания втори закон.

Досега това проучване доказва само, че можете да „избутате“ ограниченията на конвенционалната термодинамика (значимо и необикновено постижение). Нужни са още изследвания, за да се разбере по-добре връзката между информацията и термодинамиката.

Според Пак, има и потенциални приложения като „създаването на хибридни биологични и инженерни системи, дори в живи клетки“ чрез нанотехнологии.