18.04.2019 | Наука

Создан самый эффективный демон Максвелла

Ученые Барселонского Университета (Испания) создали самую эффективную на настоящий момент версию демона Максвелла — устройства, способного получать работу из теплового движения молекул.

Изображение: M. Ribezzi-Crivellari

Природные аналоги такого механизма могли извлекать энергию из простейших органических цепочек для создания более сложно организованных структур и последующей эволюции биологической материи. Статья исследователей опубликована в журнале Nature Physics.

В эксперименте была создана простейшая разновидность демона Максвелла, называемого двигателем Силарда. В 1929 году физик Лео Силард показал, как получение информации связано с термодинамикой. Ученый рассмотрел демона Максвелла в ящике с одной-единственной молекулой газа. Устройство способно распознать, в какой из двух половин ящика находится молекула, то есть получает один бит информации. Затем оно закрывает затвор, разделяющий ящик, и сдвигает поршень в пустой части ящика. Когда затвор открывается, молекула газа толкает поршень в исходное положение, совершая работу. Таким образом, совершается превращение информации в энергию.

Исследователи реализовали двигатель Силарда в виде устройства, способного отслеживать состояние одноцепочечной молекулы ДНК, которая может формировать вторичную структуру в виде «шпильки». В классическом случае демон Максвелла совершает наблюдение один раз, однако в данном эксперименте устройство проверяло состояние ДНК в течение равных промежутков времени и извлекало работу только, когда молекула изменяла свою структуру.

Концы молекулы ДНК были связаны с микроскопическими пластиковыми бусинами. Формирование шпилек и распутывание молекулы происходило спонтанно. Манипуляции над молекулой проводились с помощью оптических пинцетов, при этом при сворачивании молекулы один из пинцетов смещался. Затем молекула разворачивалась и толкала пинцет, совершая работу. При этом общее количество энергии, извлекаемой за несколько циклов, оказывается выше, чем в классическом двигателе Силарда, и превышает нижнюю границу Ландауэра, то есть минимальное количество энергии, которое необходимо затратить для совершения компьютерных вычислений. Однако устройство не нарушает второй закон термодинамики за счет процессов получения и хранения информации, увеличивающих энтропию системы.

Согласно мысленному эксперименту, предложенному шотландским физиком Джеймсом Максвеллом в 1867 году, некое сверхъестественное существо — демон — находится внутри ящика, наполненного газом и разделенного на две половины стенкой с отверстием. Закрывая и открывая его, демон разделяет горячие (быстрые) и холодные (медленные) атомы газа, в результате чего образуется разность температур, из которой легко получить работу.

ЛентаРу