Можно ли получить дополнительную энергию, просто зная, что происходило с микроскопической частицей несколько мгновений назад? Физики из Университета Констанца в Германии показали, что информация о прошлом движении частицы действительно может стать полезным ресурсом. В эксперименте система, напоминающая знаменитого демона Максвелла, извлекала при определённых условиях втрое больше работы, чем допускает теоретический предел для аналогичной системы без памяти. При этом никакого нарушения законов термодинамики не произошло.
История началась в 1867 году, когда Джеймс Клерк Максвелл предложил мысленный эксперимент, ставший одной из самых известных загадок физики. Он представил крошечное существо, способное наблюдать за отдельными молекулами газа и управлять дверцей между двумя камерами. Пропуская быстрые молекулы в одну сторону, а медленные в другую, демон постепенно создавал разность температур без очевидных затрат энергии. Казалось, он способен уменьшать энтропию и тем самым нарушать второй закон термодинамики.
Энтропия характеризует распределение энергии и число микроскопических состояний, соответствующих наблюдаемому состоянию системы. Второй закон утверждает, что полная энтропия изолированной системы не может уменьшаться. Поэтому разделение молекул на горячую и холодную группы без каких-либо затрат представлялось парадоксом. Разрешение этой загадки потребовало осознания того, что получение, хранение и обработка информации сами являются физическими процессами.
Современная термодинамика информации рассматривает измерения и обратную связь как часть энергетического баланса. Знание положения или скорости частицы позволяет выбирать действия, благодаря которым случайное тепловое движение превращается в полезную работу. Однако для повторяемого цикла необходимо учитывать работу измерительного устройства, контроллера и операции с информационной памятью. Поэтому демон Максвелла не создаёт энергию из ничего, а использует информацию для более эффективного управления уже существующими энергетическими потоками.
Команда под руководством Клеменса Бехингера решила проверить, что произойдёт, если окружающая среда сама способна запоминать прошлые движения частицы. В обычных упрощённых моделях предполагается, что дальнейшее поведение системы определяется её текущим состоянием. Такие процессы называют марковскими. Но многие реальные материалы обладают памятью: их реакция зависит не только от настоящего воздействия, но и от предшествующей истории.
Для эксперимента исследователи использовали микроскопическую стеклянную частицу, погружённую в жидкость. Частицу удерживали оптической ловушкой — сфокусированным лазерным лучом, создающим силы, способные управлять положением небольших объектов. Даже находясь в ловушке, частица постоянно совершала беспорядочные движения из-за столкновений с молекулами окружающей жидкости. Это явление известно как броуновское движение.
Обычно броуновское движение воспринимают как случайный шум, мешающий точному управлению микроскопическими объектами. Но если достаточно быстро измерять положение частицы и изменять параметры ловушки, некоторые случайные смещения можно использовать для извлечения работы. Именно так действует информационный двигатель. Он не устраняет тепловые флуктуации, а выбирает подходящие моменты для воздействия на систему.
Главная особенность нового эксперимента заключалась в составе жидкости. Вместо обычной воды исследователи использовали среду с длинными нитевидными мицеллами — самособирающимися молекулярными структурами, способными образовывать переплетённую сеть. Такая жидкость обладает вязкоупругими свойствами: она одновременно сопротивляется течению и частично сохраняет деформации, подобно очень мягкому эластичному материалу. Поэтому движение стеклянной частицы изменяет состояние окружающей сети.
Когда частица смещается, мицеллярные структуры перестраиваются не мгновенно. Их последующее расслабление может влиять на движение частицы даже после исчезновения первоначального воздействия. Получается, что жидкость хранит своеобразную механическую память о прошлом. Эта память не имеет отношения к сознанию или цифровой записи данных: речь идёт о сохраняющихся деформациях и корреляциях внутри материала.
Непосредственно наблюдать все изменения микроскопической сети исследователи не могли. Однако её скрытое состояние влияло на движение удерживаемой частицы. Следовательно, сведения о прошлых положениях частицы могли помочь предсказать её дальнейшее поведение. Физики решили использовать именно эту возможность, превратив недоступную напрямую информацию о среде в дополнительный инструмент управления.
Вместо одного измерения положения частицы они проводили два последовательных наблюдения. Сравнение результатов позволяло получить сведения не только о текущем положении, но и о том, как окружающая жидкость могла реагировать на предыдущее движение. На основании этой информации система выбирала момент изменения положения лазерной ловушки. Таким образом, управление учитывало не только видимое состояние частицы, но и косвенные признаки памяти среды.
Решающим параметром оказался интервал между измерениями. Если наблюдения следовали слишком быстро, они почти не добавляли новой информации о медленной перестройке мицеллярной сети. Если промежуток становился слишком большим, часть памяти среды успевала исчезнуть. В исследованных условиях наиболее эффективным оказался интервал порядка одной секунды.
Это похоже на попытку предсказать движение лодки по двум последовательным наблюдениям, когда сама вода скрыта туманом. Одно положение лодки почти ничего не говорит о движении окружающей среды. Но два положения, разделённые подходящим временем, позволяют судить о действии течения. В микроскопическом эксперименте роль лодки выполняла стеклянная частица, а роль невидимого течения — медленно перестраивающаяся мицеллярная сеть.
Использование дополнительной информации заметно повысило эффективность извлечения работы. При определённых параметрах исследователи получили результат, втрое превышающий теоретический предел для сопоставимой модели без памяти. Однако это не означает, что двигатель стал производить в три раза больше энергии, чем потребляет, или превысил универсальный термодинамический предел. Сравнение относится к системе, в которой скрытые корреляции окружающей среды не учитываются.
Именно здесь заключается принципиальное значение открытия. В стандартной модели окружающая среда часто рассматривается как источник случайных тепловых воздействий, не содержащий полезной информации о прошлом. Но в вязкоупругой жидкости часть истории взаимодействий сохраняется и влияет на будущее. Если научиться извлекать сведения об этой памяти, можно использовать дополнительные корреляции для управления энергетическим обменом.
Результаты также показывают, почему информация должна рассматриваться как физический ресурс. Два измерения могут оказаться полезнее одного не просто потому, что данных стало больше, а потому, что они раскрывают скрытую динамику системы. При этом значение имеет правильный выбор времени наблюдений. Измерения, выполненные слишком рано или слишком поздно, могут почти не повысить эффективность управления.
Практическое применение пока остаётся отдалённой перспективой. Исследователи не создали автономный микроскопический двигатель, способный выполнять промышленно полезную работу. Однако обнаруженный принцип может оказаться важным для будущих микромеханических устройств и систем, функционирующих в сложных жидкостях. Особенно интересны биологические среды, где движение частиц зависит от вязкоупругости, молекулярных структур и предшествующих воздействий.
Эксперимент демонстрирует необычный способ использования энергии, уже присутствующей в окружающей среде. Для этого необязательно непосредственно наблюдать все её внутренние компоненты: иногда достаточно измерять доступную частицу и восстанавливать скрытые закономерности по её движению. Демон Максвелла вновь оказался полезным инструментом для исследования границ термодинамики. Только теперь его главное преимущество заключается не в способности различать быстрые и медленные частицы, а в умении учитывать память вещества, которую обычное наблюдение не раскрывает.
А затем «Добавить на главный экран».
