Обыкновенное чудо

Представьте себе, что вы уменьшились в несколько сотен миллиардов раз и сидите в большой (на самом деле, конечно, очень маленькой) комнате, разделенной перегородкой. В каждой из половин комнаты случайным образом перемещаются молекулы, а так как вы стали очень маленьким, каждая из них для вас размером со средний арбуз, и вы можете хорошенько их рассмотреть. Но вы сидите рядом с перегородкой не просто так – ваша работа заключается в ее открывании и закрывании.

Делать это нужно не бессистемно – по условиям работы, вы должны пропускать из правой половины комнаты в левую только молекулы, скорость которых больше определенного значения. Медленные молекулы должны оставаться справа – шанс перебраться в левую половину появится у них только тогда, когда они достаточно разгонятся в результате столкновений с другими молекулами и со стенками. В итоге ваших действий рано или поздно в правой половине комнаты останутся только медленные молекулы, а в левой будут носиться преимущественно быстрые. Если теперь переместиться из микромира в наш обычный мир и измерить температуру обеих половин, то окажется, что справа температура упала, а слева, напротив, поднялась (по сравнению с моментом, когда вы начали ваши манипуляции с перегородкой).

Таким образом, выполняя нехитрую работу с перегородкой, вы смогли нарушить второй закон термодинамики, который постулирует, что система не может самопроизвольно переходить из менее упорядоченного состояния в более упорядоченное (в данном случае вы способствовали переходу тепла от менее нагретой части комнаты к более нагретой). По крайней мере, так кажется на первый взгляд.

Сплошная мистика

Описанный выше мысленный эксперимент был впервые придуман физиком шотландского происхождения Джеймсом Клерком Максвеллом, а миниатюрный швейцар, закрывающий и открывающий перегородку, был назван демоном Максвелла. Довольно быстро стало понятно, что он не нарушает второй закон термодинамики – для того, чтобы выбирать самые быстрые молекулы из общего объема, демону нужно тратить энергию, а, значит, система становится более упорядоченной не самопроизвольно. Позже появилось еще более изощренное возражение, оперирующее понятиями квантовой механики, - согласно принципу неопределенности Гейзенберга, никто, даже демон Максвелла, не может одновременно точно определить скорость и местоположение молекулы, и, соответственно, наш демон будет ошибаться и пропускать сквозь дверь случайные молекулы.

Тем не менее, несмотря на отсутствие парадокса, идея Максвелла продолжала интересовать физиков. Один из них – Лео Силард – в 1929 году развил ее и придумал гипотетическую машину Силарда, которая позволяет конвертировать содержащуюся в системе информацию в энергию. Для создания (мысленного) машины Силарда нам потребуется та же система, что и в примере с демоном Максвелла, только перегородка может двигаться туда-сюда, как поршень, и молекул будет не много, а только одна.

Демон Максвелла находится в сосуде и следит за молекулой: когда она оказывается, скажем, в левой половине сосуда, он закрывает перегородку и сдвигает ее в сторону молекулы (раз других молекул в сосуде нет, перегородку можно двигать без затрат энергии). Ударяясь о перегородку, молекула постепенно сдвинет ее на середину сосуда, совершив таким образом работу. Когда сосуд вновь окажется разделен на две равные половины, демон откроет перегородку. В итоге система останется столь же неупорядоченной, как и в начале эксперимента, но при этом за счет трансформации информации о местоположении молекулы в энергию в системе будет совершена работа.

Машина Силарда не может быть использована для создания вечного двигателя по той же причине, что и демон Максвелла – для того чтобы получить информацию о том, в какой части сосуда находится молекула, потребуется затратить энергию. Но тем не менее, такая машина может быть использована для управления нанообъектами, перемещения которых нельзя контролировать непосредственно. Но до недавнего времени такая возможность существовала только на бумаге, так как все машины Силарда были умозрительными.

Виртуальная лестница

Авторам новой работы, опубликованной в престижном журнале Nature (полный текст статьи можно скачать здесь), впервые удалось применить на практике принцип, придуманный более 80 лет назад. Для создания машины Силарда они использовали две бусины из полистирола размером около 300 нанометров каждая. Одна из бусин была прикреплена к стеклянной подложке, а вторая могла свободно вращаться вокруг первой – бусина двигалась под ударами молекул буфера, в который была погружена вся система.

Молекулы буфера приблизительно с равной частотой ударяли по бусине с разных сторон, заставляя вращаться в направлении то по часовой стрелке, то против. Исследователи могли препятствовать вращению бусины в одном из направлений, прикладывая напряжение к электродам, расположенным на стеклянной подложке. В создаваемом электромагнитном поле сделанной из диэлектрика бусине было энергетически выгоднее вращаться только в одном из возможных направлений.

Исследователи наблюдали за движением бусины при помощи микроскопа, оснащенного камерой для высокоскоростной съемки. Когда бусина вращалась против часовой стрелки, они прикладывали к электродам напряжение так, чтобы возникающее поле не давало ей совершить оборот по часовой стрелке. Сами авторы проводят аналогию между созданной ими системой и подъемом бусины по винтовой лестнице: каждый оборот против часовой стрелки соответствовал перемещению на одну ступеньку вверх. То есть спустя некоторое время после начала эксперимента бусина как бы поднималась до конца лестницы при том, что притока энергии в систему извне не было – ученые только меняли направление поля в зависимости от поступающей информации о системе.

Исследователи подсчитали, что при комнатной температуре один бит информации в созданной ими машине Силарда трансформировался в 3x10^-21 джоуля энергии. Эта цифра кажется довольно незначительной, но применительно к объектам микро- и наномира такого количества энергии вполне достаточно, чтобы, например, заставить двигаться наноробота-переносчика лекарств.

Нарушения второго закона термодинамики в созданной учеными системе нет – для того чтобы отслеживать направление вращения бусины и менять направление поля, демону, роль которого выполняют микроскоп, камера, компьютер и, наконец, сами ученые, необходимо потреблять энергию извне. Однако авторам удалось получить работающую наноразмерную систему, которая позволяет конвертировать информацию в энергию с КПД около 28 процентов (для сравнения, КПД самых современных двигателей внутреннего сгорания слегка превышает 40 процентов). Ученые не исключают, что в будущем разработанный ими принцип позволит создать системы, в которых размеры и управляемого объекта (например, наномотора), и “демона” не будут превышать сотен нанометров.

Кстати, для того чтобы представить себя демоном Максвелла, вовсе не обязательно мысленно сжиматься до размеров молекул. Любая живая система в некотором роде представляет собой такого демона и ежесекундно пытается создать порядок из окружающего ее хаоса.