Новини України
» » Создан самый эффективный демон Максвелла

Создан самый эффективный демон Максвелла

Добавлено: 18.04.19
Рубрика: Здоровье


Создан самый эффективный демон Максвелла

Вчені Барселонського Університету (Іспанія) створили найефективнішу на даний момент версію демона Максвелла - пристрою, здатного отримувати роботу з теплового руху молекул. Природні аналоги такого механізму могли отримувати енергію з найпростіших органічних ланцюжків для створення більш складно організованих структур і подальшої еволюції біологічної матерії. Стаття дослідників опублікована в журналі Nature Physics.

В експерименті була створена найпростіша різновид демона Максвелла, званого двигуном Силарда. У 1929 році фізик Лео Силард показав, як отримання інформації пов'язане з термодинаміки. Вчений розглянув демона Максвелла в ящику з однією єдиною молекулою газу. Пристрій здатний розпізнати, в якій з двох половин ящика знаходиться молекула, тобто отримує один біт інформації. Потім воно закриває затвор, що розділяє ящик, і зрушує поршень в порожній частині ящика. Коли затвор відкривається, молекула газу штовхає поршень у вихідне положення, роблячи роботу. Таким чином, відбувається перетворення інформації в енергію.

Дослідники реалізували двигун Силарда у вигляді пристрою, здатного відстежувати стан одноцепочечной молекули ДНК, яка може формувати вторинну структуру у вигляді «шпильки». У класичному випадку демон Максвелла здійснює спостереження один раз, проте в даному експерименті пристрій автоматично перевіряти стан ДНК протягом рівних проміжків часу і извлекало роботу тільки, коли молекула змінювала свою структуру.

Кінці молекули ДНК були пов'язані з мікроскопічними пластиковими намистинами. Формування шпильок і розплутування молекули відбувалося спонтанно. Маніпуляції над молекулою проводилися за допомогою оптичних пінцетів, при цьому при згортанні молекули один з пінцетів зміщувався. Потім молекула розгорталася і штовхала пінцет, здійснюючи роботу. При цьому загальна кількість енергії, що витягується за кілька циклів, виявляється вище, ніж в класичному двигуні Силарда, і перевищує нижню межу Ландауера, тобто мінімальна кількість енергії, який необхідно витратити для здійснення комп'ютерних обчислень. Однак пристрій чи не порушує другий закон термодинаміки за рахунок процесів отримання і зберігання інформації, що збільшують ентропію системи.

Згідно уявного експерименту, запропонованого шотландським фізиком Джеймсом Максвеллом в 1867 році, якесь надприродне істота - демон - знаходиться всередині ящика, наповненого газом і розділеного на дві половини стінкою з отвором. Закриваючи і відкриваючи його, демон розділяє гарячі (швидкі) і холодні (повільні) атоми газу, в результаті чого утворюється різниця температур, з якої легко отримати роботу.