211service.com
Fysiker omvandlar information till energi
Här är ett fascinerande verk. Bygg en liten trappa och placera en liten polystyrenpärla på det nedre steget (en trappa är ganska enkel att konstruera med hjälp av elektriska fält).
Det är lätt att se pärlan knuffas runt av den slumpmässiga rörelsen av molekyler i den omgivande luften, det välkända fenomenet Brownsk rörelse.
För det mesta tenderar den Brownska rörelsen att slå ner pärlan nerför trappan, men ibland är knuffandet tillräckligt kraftfullt för att trycka pärlan upp ett steg.
Håll ett öga på pärlan med en videokamera och varje gång du ser den gå upp ett steg, ändra det elektriska fältet så att det inte kan falla ner igen. Det är som att placera en barriär bakom pärlan.
När du upprepar denna process kommer pärlan att röra sig uppför trappan, driven av Brownsk rörelse.
Detta är exakt det experiment som Shoichi Toyabe vid Chuo University i Tokyo och några kompisar framgångsrikt har genomfört. Innebörden är att pärlan på något sätt kan utvinna energi från miljön, som vid första anblicken ser ut som ett uppenbart brott mot termodynamikens andra lag.
Naturligtvis finns det mer i detta än vad som först verkar. Toyabe och cos verk är en experimentell version av den berömda Maxwells demon. Föreställ dig en låda fylld med luft men delad på mitten av en barriär. Maxwells demon är en imaginär varelse som kan öppna barriären för att släppa igenom snabbrörliga molekyler samtidigt som den stänger den för långsammare.
Så småningom hamnar de snabbrörliga molekylerna på ena sidan av barriären som blir varmare än den andra, trots att ingen energi har tillförts systemet.
Frågan är om Maxwells demon bryter mot termodynamikens andra lag som är att värme inte kan flöda från ett kallt till ett varmt system av sig själv.
Det senaste tänkandet är att Maxwells demon inte bryter mot termodynamikens andra lag eftersom den måste mäta hastigheten på alla molekyler innan den bestämmer vilken den ska släppa igenom och detta kräver energi. När detta beaktas är det ingen överträdelse.
Men här är det konstiga. Det finns ingen konventionell överföring av energi till systemet: ingen uppvärmning eller acceleration av molekyler eller något sådant. Informationen i sig verkar istället vara det medium genom vilket energi överförs.
Den typen av tänkande har varit en teoretisk kuriosa, fram till nu. Toyabe och vänner har faktiskt gjort det, den första experimentella demonstrationen av denna typ av energiöverföring. I själva verket har de omvandlat information till energi i detta system.
Det finns ingen kränkning av termodynamiken här. Dessa killar använder en videokamera för att bestämma pärlans position, så när kamerans energibudget beaktas fungerar allt som termodynamikens lagar förutsäger.
Det är svårt att överskatta betydelsen av vad de har gjort: de har kunnat driva en nanomaskin – en trappklättrande pärla – utan att använda mer än information som strömförsörjning.
Detta, säger de, är en helt ny typ av motor som de kallar en informationsvärmemotor, och det är inte svårt att föreställa sig dess potential.
Det betyder att det nu är möjligt att driva nanomaskiner med hjälp av information som medium för att överföra energi, även om det inte finns någon direkt kontakt med nanomaskinen.
Uppgiften nu blir att krympa avkänningssystemet. En videokamera är en rejäl sak att köra runt. Det skulle helt klart vara praktiskt att hitta ett mikroskopiskt sätt att känna av miljön och använda den insamlade informationen för att driva en nanoenhet.
Det är ännu inte klart hur detta kan göras, men du kan satsa på att Toyabe och kompisar jobbar på det. Idén kanske till och med skapar ett litet intresse någon annanstans.
Ref: arxiv.org/abs/1009.5287 : Information Heat Engine: Konvertera information till energi genom återkopplingskontroll