Экспериментальная реализация демона Максвелла

ДЕМОНЫ ФИЗИКИ: ДЕМОН МАКСВЕЛЛА И ЕГО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕАЛИЗАЦИИ

Демон Максвелла — придуманный Дж.К. Максвеллом в 1867 г. мысленный эксперимент с целью иллюстрации кажущегося парадокса Второго начала термодинамики.

Суть парадокса

Предположим, что сосуд с газом разделён непроницаемой перегородкой на две части: правую и левую. В перегородке отверстие с устройством (так называемый демон Максвелла), которое позволяет пролетать быстрым (горячим) молекулам газа только из левой части сосуда в правую, а медленным (холодным) молекулам — только из правой части сосуда в левую (рис. 1). Тогда, через большой промежуток времени, горячие молекулы окажутся в правом сосуде, а холодные — в левом.

Рис. 1

Таким образом, получается, что демон Максвелла позволяет нагреть правую часть сосуда и охладить левую без дополнительного подвода энергии к системе. Энтропия для системы, состоящей из правой и левой части сосуда, в начальном состоянии больше, чем в конечном, что противоречит термодинамическому принципу неубывания энтропии в замкнутых системах (Второе начало термодинамики).

Парадокс разрешается, если рассмотреть замкнутую систему, включающую в себя демона Максвелла и сосуд. Для функционирования демона Максвелла необходима передача ему энергии от стороннего источника. За счёт этой энергии и производится разделение горячих и холодных молекул в сосуде, то есть переход в состояние с меньшей энтропией.

Экспериментальная реализация демона Максвелла

В 2010 г. реализовать на практике мысленный эксперимент Дж.К.Максвелла удалось физикам из японского университета Тюо [1].

В экспериментах использовалась бусинка из полистирола – диэлектрика – продолговатой формы размером около 300 нм. Она помещалась в емкость с буферным раствором, на дне которой располагались электроды, на которые подавался переменный ток.

Электромагнитное поле вызывало поляризацию бусинки таким образом, что в поле ей было энергетически более выгодно вращаться по часовой стрелке, чем против нее. Вместе с тем из-за небольших размеров на вращение бусинки оказывало заметное влияние броуновское движение молекул раствора.

Состояние бусинки контролировалось при помощи микроскопа и камеры для высокоскоростной съемки (демон Максвелла). В эксперименте также использовался управляющий компьютер. В зависимости от поведения бусинки фаза одного из электродов менялась: каждый раз, когда бусинка (ротор) в броуновском движении делала шаг против поля, компьютер сдвигал последнее так, что она могла повернуться, но когда ротор пытался вращаться обратно, поле блокировало его.

В результате бусинка набирала механическую энергию. Расчеты показали, что этой энергии было больше, чем работа, совершаемая электромагнитным полем.

Законов природы, установка не нарушает, поскольку для работы «демона» (камеры, системы коррекции напряжения) необходима энергия. Но японцы подчёркивают: данный опыт впервые на практике доказал реальность теплового насоса — демона Максвелла, теоретически обоснованного Лео Сцилардом в 1929 году. Такая машина извлекает энергию из изотермической окружающей среды и преобразует её в работу. Общий принцип теплового насоса – демона Максвелла («двигателя Сциларда») заключается в следующем. Макроскопическая система (компьютер) управляет событиями в микроскопической системе (в реальности – бусинка (ротор) и поле, а условно – комната с молекулами и перегородкой) за счёт получения информации о ней. Энергия в микроскопической системе растёт (и может производить полезную работу), но не вполне бесплатно, поскольку «демон» потребляет энергию на получение информации и управляющие действия.

Системы с обратной связью, по мнению японских физиков, могут представлять собой машины нового типа, преобразующие информацию в энергию. Теоретически в будущем подобные устройства могли бы питать за счёт броуновского движения микромашины.