Demonisk enhet konverterer informasjon til energi


Av Zeeya Merali Fysikkloven sier at du ikke kan få energi for ingenting - enda verre, vil du alltid komme ut av et system mindre energi enn du legger inn. Men et nanoskala-eksperiment inspirert av et paradoks fra det nittende århundre som syntes å bryte dem lover viser nå at du kan generere energi fra informasjon. Ma

Av Zeeya Merali

Fysikkloven sier at du ikke kan få energi for ingenting - enda verre, vil du alltid komme ut av et system mindre energi enn du legger inn. Men et nanoskala-eksperiment inspirert av et paradoks fra det nittende århundre som syntes å bryte dem lover viser nå at du kan generere energi fra informasjon.

Masaki Sano, fysikist ved Tokyo-universitetet, og hans kolleger har vist at en perle kan samles opp en spiraltrapp uten at noen energi blir overført direkte til perlen for å skyve den oppover. I stedet er det overtalt langs ruten sin med en rekke dømmende tidsbestemte beslutninger om å endre høyden på "trinnene" rundt den, basert på informasjon om perleposisjonen. I denne forstand blir informasjon omdannet til energi, sier Sano. Arbeidet er utgitt av Nature Physics today1.

Lagets oppsett ble inspirert av et nittende århundre tankeeksperiment foreslått av skotsk fysiker James Clerk Maxwell, som - kontroversielt på den tiden - foreslo at informasjon kunne omdannes til energi. I tankeeksperimentet vekter en demon en dør mellom to rom, hver fylt med gassmolekyler. Demonen tillater at kun gassflytende partikler passerer ut av rommet til venstre og inn i rommet til høyre, og bare langsomme partikler passerer i motsatt retning.

Som et resultat blir rommet til høyre gradvis varmere ettersom gjennomsnittshastigheten til partiklene i rommet øker, og rommet til venstre blir kaldere. Demonen skaper dermed en forskjell i temperatur uten å gi noe energi direkte til gassmolekylene - bare ved å kjenne informasjon om deres hastigheter. Dette synes å være i strid med den andre loven om termodynamikk, som sier at du ikke kan gjøre et system mer bestilt uten energiinngang.

Et paradoks i praksis

For å skape en virkelighetsversjon av demon-eksperimentet, satt Sano og hans kollegaer en langstrakt nanoskala polystyren perle, som kunne rotere enten med urviseren eller mot urviseren, til et bad med bufferløsning. Laget brukte en varierende spenning rundt perlen, noe som gjorde den gradvis vanskeligere for perlen å rotere en full 360 grader mot urviseren. Dette skapte effektivt en "spiraltrapp" som var vanskeligere å "klatre opp" mot urviseren enn å "falle ned" med urviseren, sier Sano.

Når de ble forlatt, ble perlen tilfeldig oppstått av de omkringliggende molekylene, noen ganger fått nok av et trykk for å dreie mot urviseren mot spenningen - eller hoppe opp trappen - men oftere snu med urviseren - eller gå "nede". Men da introduserte laget sin versjon av Maxwells demon.

De så på bevegelsens bevegelse, og da det slått vekk mot urviseren, justerte de raskt spenningen - tilsvarende Maxwells demon slammet døren lukket på et gassmolekyl - noe som gjorde det vanskeligere for perlen å vende tilbake med urviseren. Perlen blir derfor oppfordret til å fortsette å klatre "oppe", uten at noen energi blir direkte overført til perlen, sier Sano.

Forsøket bryter faktisk ikke mot termodynamikkens andre lov, for i systemet som helhet må energien bli brukt av utstyret - og eksperimenterne - til å overvåke perlen og slå spenningen etter behov. Men det viser at informasjon kan brukes som et medium for å overføre energi, sier Sano. Perlen drives som en mini-rotor, med en konverteringseffekt på 28%.

"Dette er en vakker eksperimentell demonstrasjon at informasjonen har et termodynamisk innhold, " sier Christopher Jarzynski, en statistisk kjemiker ved University of Maryland i College Park. I 1997 formulerte Jarzynski en ligning for å definere mengden energi som teoretisk kunne konverteres fra en informasjonsenhet2; Arbeidet fra Sano og hans lag har nå bekreftet denne ligningen. "Dette forteller oss noe nytt om hvordan termodynamikkloven fungerer på mikroskopisk skala, " sier Jarzynski.

Vlatko Vedral, en kvantefysiker ved University of Oxford i Storbritannia, sier at det vil være interessant å se om teknikken kan brukes til å drive nanomotorer og kunstige molekylære maskiner. "Jeg vil også være spent på å se om noe som dette allerede er på jobb i naturen, " sier han. "Tross alt kan du si at alle levende systemer er" Maxwells demoner ", prøver å tøffe tendensen til ordre for å vende tilbake til tilfeldighet."

Siste nytt