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Physiker wandeln Informationen in Energie um
Hier ist eine faszinierende Arbeit. Baue eine kleine Treppe und platziere eine kleine Styroporperle auf der unteren Stufe (eine Treppe ist mit elektrischen Feldern ziemlich einfach zu bauen).
Es ist leicht zu sehen, wie die Perle von der zufälligen Bewegung der Moleküle in der umgebenden Luft herumgeschubst wird, dem bekannten Phänomen der Brownschen Bewegung.
Meistens neigt die Brownsche Bewegung dazu, die Perle die Treppe hinunterzustoßen, aber manchmal ist das Anstoßen stark genug, um die Perle eine Stufe nach oben zu drücken.
Beobachten Sie die Perle mit einer Videokamera genau und ändern Sie jedes Mal, wenn Sie sehen, dass sie eine Stufe nach oben geht, das elektrische Feld, damit sie nicht wieder nach unten fallen kann. Dies ist, als würde man eine Barriere hinter der Perle platzieren.
Wenn Sie diesen Vorgang wiederholen, bewegt sich die Perle die Treppe hinauf, angetrieben durch die Brownsche Bewegung.
Genau dieses Experiment haben Shoichi Toyabe von der Chuo University in Tokio und ein paar Kumpels erfolgreich durchgeführt. Die Implikation ist, dass die Perle irgendwie in der Lage ist, der Umgebung Energie zu entziehen, was auf den ersten Blick wie eine eklatante Verletzung des 2. Hauptsatzes der Thermodynamik aussieht.
Natürlich steckt mehr dahinter, als auf den ersten Blick erscheint. Die Arbeit von Toyabe und Co ist eine experimentelle Version des berühmten Maxwell-Dämons. Stellen Sie sich eine Kiste vor, die mit Luft gefüllt, aber durch eine Barriere in zwei Hälften geteilt ist. Maxwells Dämon ist ein imaginäres Wesen, das in der Lage ist, die Barriere zu öffnen, um sich schnell bewegende Moleküle durchzulassen, während sie sie für langsamere schließt.
Schließlich landen die sich schnell bewegenden Moleküle auf einer Seite der Barriere, die heißer wird als die andere, obwohl dem System keine Energie zugeführt wurde.
Die Frage ist, ob Maxwells Dämon den 2. Hauptsatz der Thermodynamik verletzt, der besagt, dass Wärme nicht von einem kühlen zu einem heißen System allein fließen kann.
Die neueste Annahme ist, dass der Maxwell-Dämon den 2. Hauptsatz der Thermodynamik nicht verletzt, da er die Geschwindigkeit aller Moleküle messen muss, bevor er entscheidet, welche durchgelassen werden sollen, und dies erfordert Energie. Wird dies berücksichtigt, liegt kein Verstoß vor.
Aber hier ist das Kuriose. Es gibt keine konventionelle Energieübertragung in das System: keine Erwärmung oder Beschleunigung von Molekülen oder ähnliches. Stattdessen scheint die Information selbst das Medium zu sein, durch das Energie übertragen wird.
Diese Art des Denkens war bisher eine theoretische Kuriosität. Toyabe und Freunde haben es tatsächlich geschafft, die erste experimentelle Demonstration dieser Art der Energieübertragung. Tatsächlich haben sie in diesem System Informationen in Energie umgewandelt.
Hier liegt kein Verstoß gegen die Thermodynamik vor. Diese Jungs verwenden eine Videokamera, um die Position der Perle zu bestimmen. Wenn also das Energiebudget der Kamera berücksichtigt wird, funktioniert alles so, wie es die Gesetze der Thermodynamik vorhersagen.
Es ist kaum zu überschätzen, was sie getan haben: Sie konnten eine Nanomaschine – eine Treppe zum Klettern – betreiben, die nichts anderes als Informationen als Energiequelle nutzte.
Dies sei eine völlig neue Art von Motor, die sie als Informations-Wärmekraftmaschine bezeichnen, und ihr Potenzial ist nicht schwer vorstellbar.
Dies bedeutet, dass es jetzt möglich ist, Nanomaschinen mit Informationen als Medium zur Energieübertragung anzutreiben, auch wenn kein direkter Kontakt mit der Nanomaschine besteht.
Die Aufgabe besteht nun darin, das Sensorsystem zu verkleinern. Eine Videokamera ist eine schwere Sache, um herumzukarren. Es wäre sicherlich praktisch, eine mikroskopische Methode zu finden, um die Umgebung zu erfassen und die gesammelten Informationen zu verwenden, um ein Nanogerät mit Strom zu versorgen.
Es ist noch nicht klar, wie dies bewerkstelligt werden kann, aber Sie können Ihren unteren Dollar darauf wetten, dass Toyabe und Freunde daran arbeiten. Die Idee könnte woanders sogar ein wenig Interesse wecken.
Ref: arxiv.org/abs/1009.5287 : Information Heat Engine: Umwandlung von Informationen in Energie durch Rückkopplungssteuerung