Fysikere konverterer information til energi

Her er et fascinerende stykke arbejde. Byg en lille trappe og placer en lille polystyrenperle på det nederste trin (en trappe er ret ligetil at konstruere ved hjælp af elektriske felter).

Det er nemt at se perlen blive skubbet rundt af den tilfældige bevægelse af molekyler i den omgivende luft, det velkendte fænomen Brownsk bevægelse.

Det meste af tiden har den brownske bevægelse en tendens til at banke perlen ned ad trappen, men nogle gange er stødet kraftigt nok til at skubbe perlen et trin op.

Hold godt øje med perlen ved hjælp af et videokamera, og hver gang du ser den gå et trin op, skal du ændre det elektriske felt, så det ikke kan falde ned igen. Det er som at placere en barriere bag perlen.

Når du gentager denne proces, vil perlen bevæge sig op ad trappen, drevet af Brownsk bevægelse.

Det er præcis det eksperiment, Shoichi Toyabe ved Chuo University i Tokyo og et par venner med succes har udført. Implikationen er, at perlen på en eller anden måde er i stand til at udvinde energi fra miljøet, som ved første øjekast ligner en åbenlys overtrædelse af termodynamikkens 2. lov.

Selvfølgelig er der mere i dette, end først ser ud. Toyabe og cos arbejde er en eksperimentel version af den berømte Maxwells dæmon. Forestil dig en kasse fyldt med luft, men delt i to af en barriere. Maxwells dæmon er et imaginært væsen, der er i stand til at åbne barrieren for at tillade hurtigt bevægende molekyler igennem, mens den lukker for langsommere.

Til sidst ender de hurtigt bevægende molekyler på den ene side af barrieren, som bliver varmere end den anden side, selvom der ikke er tilført energi til systemet.

Spørgsmålet er, om Maxwells dæmon overtræder termodynamikkens 2. lov, som er, at varme ikke kan strømme fra et køligt til et varmt system af sig selv.

Den seneste tankegang er, at Maxwells dæmon ikke overtræder termodynamikkens 2. lov, fordi den skal måle hastigheden af ​​alle molekylerne, før den beslutter, hvilken den skal slippe igennem, og dette kræver energi. Når dette tages i betragtning, er der ingen overtrædelse.

Men her er det nysgerrige. Der er ingen konventionel overførsel af energi ind i systemet: ingen opvarmning eller acceleration af molekyler eller sådan noget. I stedet synes information i sig selv at være det medium, hvorigennem energi overføres.

Den slags tænkning har indtil nu været en teoretisk kuriosum. Toyabe og venner har faktisk gjort det, den første eksperimentelle demonstration af denne form for energitransmission. Faktisk har de konverteret information til energi i dette system.

Der er ingen krænkelse af termodynamikken her. Disse fyre bruger et videokamera til at bestemme perlens position, så når kameraets energibudget tages i betragtning, fungerer alt, som termodynamikkens love forudsiger.

Det er svært at overvurdere betydningen af ​​det, de har gjort: de har været i stand til at betjene en nanomaskine – en trappe-bead perle – ved at bruge intet mere end information som strømforsyning.

Dette, siger de, er en helt ny type motor, som de kalder en informationsvarmemotor, og det er ikke svært at forestille sig dens potentiale.

Det betyder, at det nu er muligt at drive nanomaskiner ved hjælp af information som medium til at overføre energi, selvom der ikke er direkte kontakt med nanomaskinen.

Opgaven bliver nu at skrumpe sensorsystemet. Et videokamera er en heftig ting at køre rundt i. Det ville klart være praktisk at finde en mikroskopisk måde at sanse miljøet på og bruge den indsamlede information til at drive en nanoenhed.

Det er endnu ikke klart, hvordan dette kan gøres, men du kan satse på, at Toyabe og venner arbejder på det. Idéen kan endda skabe lidt interesse andre steder.

Ref: arxiv.org/abs/1009.5287 : Information Heat Engine: Konvertering af information til energi ved feedbackkontrol

skjule