Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 
Рис. 1. a) Самопроизвольное движение частицы вниз по спиральной лестнице. b) Работа «демона» заставляет частицу карабкаться только наверх.
Рис. 2. а) Схема экспериментального устройства. b) Потенциальная энергия вращения частицы во внешнем электрическом поле. c) Управление с обратной связью: При повороте частицы в «невыгодную» сторону поле переключалось (правый столбец), в противном случае ничего не менялось (левый столбец).
Рис. 3. Траектория углового движения частицы под управлением «демона». На вставке показан увеличенный фрагмент траектории. Красные треугольники обозначают моменты переключения поля
Формула 1
Это не Демон Максвелла!
Это тоже не он... :-(

Демон Максвелла реализован: описан эксперимент по превращению информации в энергию

Ключевые слова:  Демон Максвелла, периодика

Автор(ы): Еремин. В.В.

Опубликовал(а):  Доронин Федор Александрович

27 ноября 2010

История вопроса началась в 1867 году, когда великий английский физик Дж. Максвелл предложил мысленный эксперимент для доказательства статистической природы Второго закона термодинамики. Слово «демон» для обозначения гипотетического устройства, разделяющего молекулы на «горячие» и «холодные», появилось несколько лет спустя. Долгое время считалось, что экспериментальная реализация мысленного эксперимента Максвелла позволит опровергнуть Второй закон, однако после долгих дискуссий физики, математики и химики пришли к единому мнению, что работа «демона» не нарушает Второй закон. Она сводится к превращению информации в энергию, причем закон сохранения энергии не нарушается – просто энергия под действием информации переходит из одной части системы в другую или черпается из окружающей среды.

Авторы настоящей работы предложили такую версию «демона». Представим себе микроскопическую частицу, находящуюся на спиральной лестнице, причем высота ступенек сравнима с энергией теплового движения kT, так что частица может за счет собственной энергии забраться на более высокую ступеньку, а может опуститься ниже (рис. 1.а). В среднем, вторые переходы происходят чаще, чем первые, поэтому за большой промежуток времени частица самопроизвольно опустится вниз на какое-то число ступенек.

Теперь включим в систему «демона», который наблюдает за перемещениями частицы и сразу после того, как она прыгнет на верхнюю ступеньку, поставит заслонку, блокирующую движение вниз, так что теперь частица может двигаться только в одном направлении – вверх. После следующего скачка ставится новая заслонка и т.д. В результате частица поднимается вверх по лестнице и ее потенциальная энергия все время растет. За счет чего это происходит? Первая мысль – за счет энергии, вносимой в систему при постановке заслонки. Однако, это не так – авторы утверждают, что эта энергия может быть сделана бесконечно малой (это – единственное спорное (очень спорное) утверждение в данной статье). На самом деле, энергия берется из окружающей среды под влиянием информации, получаемой при измерении положения частицы – то есть, информация превращается в энергию. Получается, что в основе неравномерного распределения энергии – управление с обратной связью.

Идея – достаточно простая и не оригинальная, аналогичное устройство было предложено еще в 1929 году американским физиком венгерского происхождения Лео Сциллардом. Но техническая реализация этой идеи потребовала большого экспериментального искусства. Вот как это было сделано. В стеклянную кювету размером несколько десятков микрон, заполненную буферным раствором, поместили частицу, состоящую из двух полистирольных шариков диаметром 287 нм, один из которых прикреплен с помощью молекулы-линкера к поверхности стекла, а другой может совершать вращательное броуновское движение (рис. 2.а). К противоположной поверхности подключили электроды, создающие переменное электрическое поле. Это поле вызывало поляризацию диэлектрика, из которого была изготовлена частица, и создавало для нее периодический потенциал с небольшим наклоном, который обеспечивал предпочтительное вращение в одну сторону (рис. 2.b). За движением частицы следили с помощью микроскопа, а сигнал записывали на высокоскоростную видеокамеру и передавали в компьютер. Как только оказывалось, что частица повернулась в «невыгодную» сторону, против поля, компьютер включал обратную связь и поле переключалось (рис. 2.с, правый столбец) – «демон» включался в работу. Если поле переключалось достаточно быстро, пока частица не вернулась обратно, ее новое положение фиксировалось и энергия частицы увеличивалась, причем рост превышал затраты на переключение поля.

На рис. 3 показана траектория частицы под управлением «демона» – она напоминает движение вверх по потенциальной лестнице – тем самым мысленный эксперимент, описанный в самом начале, реализован с помощью коллоидной частицы в переменном электрическом поле с обратной связью.

В энергию в данном случае превратилась информация об угле поворота частицы. В идеальном случае, при полном переходе информации в энергию один бит превращается в энергию kT ln2. В эксперименте, описанном в статье, эффективность такого перехода оценивается в 28%. Но здесь важно не число, а сам факт, прецедент. Очень важно еще раз подчеркнуть, что энергия не взялась со стороны, она уже находилась в системе, информация просто помогла создать поток этой энергии внутри системы, который, на первый взгляд, противоречит Второму закону.

Что же будет дальше? Перспективы данной работы связаны с дальнейшим углублением в нано-область. Авторы предлагают использовать свой метод для передачи энергии наноустройствам, например наномоторам и надеются в будущем создать «демона Максвелла» не макро-, как в данной работе, а нано-размеров.

Но на мой взгляд, данная работа важна не приложениями, а демонстрацией фундаментальных принципов: 1) принципа перехода информации в энергию в результате обратной связи и 2) Второго закона термодинамики. Авторы еще раз экспериментально подтверждают, что для объединенной системы «частица в растворе + «демон» Второй закон не нарушается.

И все-таки, его можно нарушить! Правда, только для малых систем и в течение очень короткого времени – за счет флуктуаций. В 1993 году австралийские ученые доказали флуктуационную теорему, в которой аналитически найдена вероятность того, что диссипативный поток в фазовом пространстве движется в направлении, нарушающем Второй закон. Если на некоторой фазовой траектории за время t производится энтропия равная A (в относительных единицах), а на другой траектории энтропия уменьшается на эту же величину, то отношение вероятностей этих двух траекторий экспоненциально растет с ростом A: [Формула 1]

Поскольку энтропия – экстенсивная величина, она растет пропорционально числу частиц. Таким образом, для макроскопических систем энтропия A велика, и доля фазовых траекторий, на которых нарушается Второй закон, ничтожна – практически равна 0.

Эта теорема была проверена с помощью молекулярно-динамичеких расчетов и подтверждена в эксперименте (G. M. Wang et al., Phys.Rev. Lett. 89, 050601 (2002)), где изучались траектории броуновского движения коллоидной частицы микронных размеров, находящейся в оптической ловушке. Число траекторий, подтверждающих и нарушающих Второй закон, количественно соответствовало флуктуационной теореме. Интересно другое: совершенно неожиданно выяснилось, что траектории, нарушающие Второй закон, могут наблюдаться в течение очень долгого (для флуктуаций) времени – вплоть до нескольких секунд. Разумеется, при t, стремящемся к бесконечности, «неправильные» траектории исчезают, в полном соответствии со Вторым законом. Так что законы природы выдержали еще одну экспериментальную проверку и как всегда устояли!

По материалам статьи Toyabe S., Sagawa T., Ueda M., Muneyuki E., Sano M. "Experimental demonstration of information-to-energy conversion and validation of the generalized Jarzynski equality", Nature Physics doi:10.1038/NPHYS1821 (2010).

Профессор В.В.Еремин, химический факультет МГУ

Прикрепленные файлы:
info.doc (33.50 КБ.)

 

В статье использованы материалы: Законы термодинамики


Средний балл: 10.0 (голосов 3)

 


Комментарии
Клюев Павел Геннадиевич, 27 ноября 2010 18:37 
t ® ¥ а что это значит?
Палии Наталия Алексеевна, 27 ноября 2010 18:49 
в анонсе : [I]14 ноября с.г. японские физики
сообщили о том, что они создали «демона
Максвелла» – устройство, использующее
информацию для увеличения средней энергии
частиц. [/I] - а статье нет ссылки на японскую
работу
1) Имелось в виду обозначение "Знак суммы"[SUB]t = A
2) Ссылка на оригинальную статью: Toyabe S., Sagawa T., Ueda M., Muneyuki E., Sano M. "Experimental demonstration of information-to-energy conversion and validation of the generalized Jarzynski equality", Nature Physics doi:10.1038/NPHYS1821 (2010).
Вадим Владимирович, а в этом положении, которое вы отметили как "очень спорное", энергия, пожранная экспериментальной установкой, включая устройство обработки информации (комп) учитывалась? Т.е. не информация в энергию, а энергия электросети в энергию молекулы, причем с нгизким КПД.
И каков смысл выделенного участка графика на рис.3? Рост там ЛИНЕЙНЫЙ с точностью до погрешности, ступенек никеаких и близко не лежит...
В общем, если в Натуре именно это опубликовано, говорит оно только о том, что публикуется там любая хрень, лишь бы название было достаточно звучным...
PS. По поводу флуктуаций, 2 начала ТД и масштаба системы - есть точка зрения (не помню, кем впервые высказанная), что все существование Вселенной с ТД точки зрения есть именно флуктуация...
1) Разумеется, эту энергию учитывали. Но они говорили не о себе: они сказали, что В ИДЕАЛЬНОМ ЭКСПЕРИМЕНТЕ такая энергия может быть бесконечно малой. Это меня и смутило: можно ли без затраты энергии поставить высокий барьер?
2) О выделенном участке: рост похож на линейный, но В СРЕДНЕМ. Траектория показана в очень мелком масштабе, чтобы охватить весь диапазон измерений. В масштабе микросекунд она - ступенчатая.
3) Ко Вселенной в целом ТД неприменима. Большой взрыв как флуктуация имеет не термодинамический, а квантово-механический характер.
Палии Наталия Алексеевна, 28 ноября 2010 12:37 
cпасибо
Владимир Владимирович, 28 ноября 2010 16:36 
Ко Вселенной в целом ТД неприменима. Большой взрыв как флуктуация имеет не термодинамический, а квантово-механический характер.

Вадим Владимирович,
А почему такое противопоставление? Квантовая термодинамика отнюдь не отрицает первый и второй законы термодинамики, а скорее наоборот - расширяет их применимость и подчеркивает универсальность.
И не подскажете, пожалуйста, ссылки про квантово-механический характер большого взрыва (не смог найти по поверхностному поиску - квантовое традиционно о малом).
Владимир Владимирович, речь шла, конечно, не о традиционной квантовой механике, а о квантовой теории гравитации. Свои небольшие познания в этой области я почерпнул, главным образом, у Хокинга. Популярная книга: Черные дыры и молодые вселенные (это сборник очень интересных эссе), более научная: Хокинг, Пенроуз: Природа пространства и времени, Ижевск, 2000 (это - 6 лекций, нам нужны лекции 4 и 5).
Вадим Владимирович, поясните пожалуста
1) Как учитывали? Если для "перевода информации в энергию" использовались устройства весьма активно эту самую энергию от электросети потребляющие (на обработку информации, создание поля, переключение поля,...)
2) А если учесть шум? И потребовать болеечемтрехсигмовости эффекта? А если шум оценивать по ступеньке на 42 с. (без переключения поля)?
3) А почему квантовость характера несовместима с ТД?
Первое описание, на мой взгляд, не имеет прямого отношения ко второму описанию. Запрыгивание частицы на ступеньки возможно только при выполнении условия kT>U, где U – суммарная высота ступенек. Если это условие перестает выполняться, то никакая заслонка не поможет подниматься частице далее вверх по лестнице (т.е. частица способна подняться лишь до определенной ступеньки ). Теперь об эксперименте. Выполненная конструкция представляет собой своеобразный "генератор механических колебаний" . Внешнее поле в этом эксперименте за счет обратной связи будет переключаться с некоторой средней частотой, зависящей от температуры окружающей среды, и вызывать усиление движения. В итоге из-за возникающей корреляции в системе "частица-поле" случайное броуновское движение постепенно превратится в упорядоченное колебание частицы с большей энергией. Энергия колебаний частицы, очевидно, не будет превышать энергию внешнего возбуждения.

Серго Р.

ПС: Авторы могли бы понизить температуру в эксперименте и использовать более дешевую видеокамеру .

Александру Витальевичу.
1) Японцы считали разность между свободной энергией, набираемой частицей, и работой, производимой над частицей при переключении потенциала. Все остальные энергозатраты не рассматривались.
2) Шум на то и шум, что в среднем он исчезает. Частица может самопроизвольно прыгать по потенциалу вверх - тепловая энергия это позволяет (Серго Р. прав), но если движения усреднить хотя бы за несколько секунд, самопроизвольное движение все равно будет вниз.
3) Квантовая механика не всегда противоречит ТД, это просто совсем разные уровни описания. В классической ТД квантовая механика принципиально не нужна. В статистической ТД, очевидно, нужна, так как там подключается внутренняя структура. Но есть задача, где разница между ТД и КМ существенна - это черные дыры. Согласно ТД, площадь черной дыры растет, а квантовая механика говорит, что черные дыры испаряются.
Владимир Владимирович, 30 ноября 2010 00:11 
Спасибо, Вадим Владимирович.
Вадим Владимирович, ну, туповат я, похоже, в упор не понимаю:
1) Над системой совершается работа, ее внутренняя энергия повышается. Где тут ХОТЬ КАКОЙ-ТО нуачный результат????
2) То что в данном случае линия идет вверх - очевидно. Ни то, что это "верх" и по энергии, ни то, что "ступеньки" выделяются из шума - неочевидно. Для второго скорее очевидно обратное.
3) С первыми 3-мя предложениями согласен. Насчет ЧД - почему по ТД ее масса обязательно растет? Испарение ЧД (по Хокингу) основывалось, вроде (насколько из науч-попа помню) на неким довольно сомнительных именно ТД рассуждениях. Кстати, а экспериментальные данные на этот счет есть (что, помнится, несколько лет назад такое в СМИ мелькало)?
Александр Витальевич, доброе утро. Может быть, я не все внятно написал и лучше обратиться к оригинальной статье, еще лучше - к статье с приложениями. Попробую ответить сам:
1) Научный результат в том, что энергия частицы повышается на большую величину, чем выполненная над системой работа. Эта разница обусловлена получением информации о системе.
2) "Ступеньки" здесь создает электрический потенциал - рисунок есть только в статье, я не хотел загромождать свою заметку. Это логично, так как даже механическая ступенька - это тоже потенциал. Кроме того, в статье есть еще два графика, которые показывают динамику системы в случае обратной связи, но без использования информации - и там кривые идут вниз, по потенциалу, как и положено.
3) У ЧД самопроизвольно растет не только масса, а площадь поверхности горизонта событий, что дает основание отождествлять эту площадь с термодинамической энтропией. Никаких сомнений относительно квантового характера излучения ЧД нет - можно почитать даже науч-поп, но хороший, например самого Хокинга: Черные дыры и молодые вселенные. - Амфора, 2001, глава 10 (наверняка, текст есть в интернете). Обнаружить излучение ЧД, в принципе, можно, но я не знаю, было это сделано или нет.
И все-таки, по (1) - откуда берется величина "выполненной над системой работы"? Если по изменению ее (системы) энергии, то равны они будут по определению. Если по энергозатратам установки - возвращаемся к исходному (от 27 ноября 2010 23:11) вопросу.
Не совсем, все-таки, очевидно, где здесь прямое преобразование информации в энергию. Все ли я правильно понял. Исследователи "раскручивали" частицу именно в момент переключения поля. И раскрутка была максимально эффективной в случае "удачного" переключения поля в нужный момент ориентации частицы. Собственно, информация о положении частицы и помогала угадать, простите, узнать этот момент. Получается, что информация здесь играет просто роль увеличение к.п.д. процесса накачки частицы энергией. Возможно, я понял смысл этой работы не верно, но мне кажется, что он именно таков.
Очень необычно, например, что никто не приводит пример живые системы, например цепь передачи электрона в процессе фотосинтеза устроена похожим образом. Уепочка ферментов, которые и молекул сенсбилизаторов, которые играют роль ступенек (кстати, высотой близкой к kT) и переключателей (читай - заслонок). И, собствено, вся эта сложная фотосистема и направлена именно на то, чтоб получить максимальный к.п.д. процесса передачи энергии светового кванта в энергию химических связей. Чем не аналогия данной работы?
Все-таки предлагаю обсуждать статью, предварительно ее прочитав: http://www.n...ys1821.html

иначе мы будем в неравном положении. Исследователи не раскручивали частицу, она совершала вращательное броуновское движение под действием молекул буферного раствора в периодическом потенциальном поле, создаваемом электродами. Поле было таким, что вращение в одну сторону было более вероятным, чем в другую, это - аналог движения по ступенькам вниз или вверх. Аналогия с фотосистемой здесь не подходит, так как в фотосистеме преобразованная энергия всегда МЕНЬШЕ полученной от излучения.
Верх и низ у ступенек отсутствует, если только нет потенциального поля, не говоря уже о диссипативных силах. Если же дело происходит при наличии, например, сил тяжести, то для прыжка частицы наверх за счет флуктуаций должно непременно выполняться условие kT>mgh, где h – высота ступенек. В приведенном эксперименте вследствие "постоянного вмешательства" внешнего электрического поля с обратной связью частица в итоге перейдет в упорядоченное движение (колебания). Эксперимент, на мой взгляд, иллюстрирует возникновение порядка из хаоса, т.е. является еще одним примером из синергетической науки.


Серго Р.
...забыл сказать. Частота движения частицы будет связана с поляризуемостью или диэлектрическими свойствами частички
Установившихся колебаний там не будет, так как изменение потенциала имеет не регулярный характер, а зависит от положения частицы. Обратная связь - не периодическая. Локальные колебания в потенциале с минимумом, конечно, будут - они видны на вставке в рисунке 3.
Возникновение порядка из хаоса в этой системе возможно, но при периодической внешней силе.
Лучше всего, конечно, задать вопрос самим авторам эксперимента. Обратная связь и не должна быть "периодической" (кстати, таких обратных связей вообще не бывает). В эксперименте используется следящая обратная связь. Если амплитуда поля достаточная, то в итоге частица перейдет в периодическое движение. Чтобы понять мою мысль, рекомендую изучить вопрос об электрических генераторах с самовозбуждением и следящей обратной связью, а также фантастронах (И.П.Степаненко. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. М.: Энергия, 1977. С.601-611).

Серго Р.

ПС: Сегодня с утра мне тоже удалось осуществить эксперимент по преобразованию информации в энергию - зазвонил будильник и я принялся совершать работу .
Владимир Владимирович, 01 декабря 2010 09:12 
ПС: Сегодня с утра мне тоже удалось осуществить эксперимент по преобразованию информации в энергию - зазвонил будильник и я принялся совершать работу

Для чистоты эксперимента необходимо полностью исключить внешние источники энергии тела, совершающего работу
Вадим Владимирович, спасибо за ссылку, прочитал.
НО: авторы оценивали работу над системой как энергию поля. Однако поле это не совершало работы на частицей только благодаря выбранному посредством системы ОС моменту включения - а значит, энергозатраты системы ОС (АСМ, комп, генератор поля) они должны также включить в расчет энергетического баланса!
Юный максималист, 01 декабря 2010 22:12 
Мало того, заслонку нужной высоты (по энергии)
надо успеть поставить за маленький промежуток
времени с контролируемой точностью координаты.
Насколько можно быть уверенным, что время
срабатывания системы обратной связи много
меньше времени изменения импульса частицы?
И действительно, почему сила периодической
должна быть?
Артём
Еремин Вадим Владимирович, 02 декабря 2010 12:30 
Серго Р.
Спасибо за ссылку, но вряд ли я смогу в ближайшее время найти книгу и прочитать
Поэтому хочу уточнить: что вы называете периодическим движением в данном случае - колебания около локального минимума потенциала или крутильные колебания вокруг точки закрепления второго шарика? Еще один момент: амплитуда маленькая, поэтому частица время от времени преодолевает барьер, созданный полем. Поэтому у меня по-прежнему сомнения в возможности установления периодического движения. И потом, разве на рис. 3 видно где-нибудь периодическое движение?

А эксперимент у вас вышел очень удачный
Режабек Борис Георгиевич, 06 декабря 2010 23:57 
Я восхищён формулой "... сводится к превращению информации в энергию, причем закон сохранения энергии не нарушается – просто энергия под действием информации переходит из одной части системы в другую или черпается из окружающей среды."
Если информацию можно превращать в энергию, то из газетных сообщений запросто можно строить могучие энергостанции! И заодно спасти поголовье уток.
Сравнивали ли японцы тот рост энтропии, который связан с наблюдением, с тем выигрышем свободной энергии, который они наблюдали? И читали ли вообще Бриллюэна, или только слышали о его книге?
Мракобесие от науки гораздо страшнее мракобесия от невежества.
Энергия - это просто способность материи совершать работу.
А информация - это просто сообщение, основанное на договоре. Если рядом с вами два китайца будут обсуждать, как вас лучше убить, вы и не подумаете убежать. Потому что, если вы не знаете китайского, никакой информации в их разговоре для вас нет. http://gidep...icle/414935

Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Графокристаллическое дерево
Графокристаллическое дерево

XVI Российская ежегодная конференция молодых научных сотрудников и аспирантов "Физико-химия и технология неорганических материалов"
С 1 по 4 октября 2019 года в г. Москве в Институте металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук состоится ежегодная конференция молодых научных сотрудников и аспирантов "Физико-химия и технология неорганических материалов".

Студенты кафедры РЛ-2 МГТУ им. Баумана в гостях у НТ-МДТ Спектрум Инструментс
Видеоотчет об экскурсии студентов МГТУ им. Баумана в НТ-МДТ Спектрум Инструментс

Перст-дайджест
В новом выпуске бюллетеня «ПерсТ»: Новые наноматериалы для восстановления костей. Непростые отношения графена и воды. Борнитридные наноленты с реконструированными краями. Термоэлектричество и азафуллерены. Борщ и блины как материалы в экстремальных условиях.

Новые гибридные перовскитоподобные материалы для солнечной энергетики
Тарасов Алексей Борисович, Постнаука
Как сохранить энергию солнца или ветра? Как может измениться стационарная энергетика в будущем? В проекте «Мир вещей. Из чего сделано будущее» совместно с Фондом инфраструктурных и образовательных программ (группа РОСНАНО) Постнаука рассказывает о последних открытиях и перспективных достижениях науки о материалах.

Материалы к защитам квалификационных работ бакалавров на ФНМ МГУ в 2019 году
Коллектив авторов
4-7 июня 2019 г. (11-00) в аудитории 221 корпуса Б пройдут защиты ВКР бакалавров ФНМ МГУ.

Материалы к защитам магистерских квалификационных работ на ФНМ МГУ в 2019 году
Семенова Анна Александровна
21-24 мая 2019 года в лабораторном корпусе Б пройдут защиты магистерских диссертаций выпускниками ФНМ МГУ.

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!

Опыт обучения в области нанотехнологического технопредпринимательства

В этом опросе мы просим поделиться опытом и Вашим отношением к нанотехнологическому технопредпринимательству и смежным областям. Заранее спасибо за Ваше неравнодушие!



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.