با شیطان قمار ماکسول ملاقات کنید – آنقدر هوشمند که بتواند آنجا را ترک کند


در نسخه جدید یک آزمایش فکری کلاسیک قرن نوزدهم ، دیو ماکسول نقش قماری را بازی می کند که می داند چه زمانی باید برود در حالی که جلوتر است.
بزرگنمایی / در نسخه جدیدی از یک آزمایش فکری کلاسیک قرن نوزدهم ، دیو ماکسول نقش قماری را بازی می کند که می داند چه وقت باید آنجا را ترک کند.

اوریش لاوسون / تصاویر گتی

آنتروپی (همچنین به عنوان قانون دوم ترمودینامیک شناخته می شود) یک معشوقه بی رحم است. اگر فکر می کنید جهان به عنوان یک کازینو فضایی است ، قوانین ترمودینامیک در خانه اعمال می شود: شما نمی توانید برنده شوید ، نمی توانید به تعادل برسید و با منع باز کردن درگاه به جهان متناوب با قوانین مختلف فیزیکی شما نمی توانید از بازی خارج شوید شما فقط باید به بازی خود ادامه دهید و امیدوار باشید که با به دست آوردن استراتژی های موفقیت آمیز ، ضررهای خود را به حداقل برسانید – و حتی ممکن است حداقل در کوتاه مدت ، گاه گاهی بیرون بروید.

این جوهر مقاله جدیدی است که در ژورنال Physical Review Letters منتشر شده و یک آزمایش فکری کلاسیک قرن نوزدهم را به نام دیو ماکسول به روز می کند ، که خلاoph بالقوه ای برای تضعیف قانون دوم – حداقل به طور موقت – فراهم می کند. فیزیکدانان اکنون نسخه قماربازی شیطان را ارائه داده اند که در حال بازی در یک دستگاه اسلات است ، و قادر به کنترل زمان پرداخت ماشین نیست (از نظر انرژی رایگان موجود برای کار) ، اما قادر است زمان بازی را متوقف کند تا “سود” خود را به حداکثر برساند. این مطالعه ممکن است روزی منجر به بهبود کارایی موتورهای حرارتی میکروسکوپی و موتورها شود.

همانطور که قبلاً ذکر شد ، در حدود سال 1870 ، جیمز کلرک مکسول یک ظرف کوچک تصور کرد که قادر به ایجاد نظم از بی نظمی در یک ظرف بسته پر از گاز است. Imp این امر را با ایجاد جریان گرما از محفظه سرد به محفظه داغ و نقض آشکار قانون دوم به دست آورد. دو محفظه توسط دیواره ای با یک کرکره از هم جدا می شود که سوراخی را به اندازه کافی بزرگ برای عبور یک مولکول گاز در بر می گیرد.

انگیزه فرضی ماکسول از دیوار تقسیم شده بالا می رود و درب ظرف را باز و بسته می کند. مولکولهای گاز معمولاً بسیار بی نظم هستند (آنتروپی زیاد) ، به این معنا که سرعت و دما متوسط ​​آنها تقریباً یکسان است و بنابراین نزدیک به تعادل خواهند بود. بنابراین انرژی زیادی برای “کار” وجود نخواهد داشت – در فیزیک به عنوان نیروی فاصله تعریف شده است (W = fd)

از آنجا که اتم های تشکیل دهنده مولکول ها به طور مداوم در حرکت هستند ، با گذشت زمان نوسانات کمی ایجاد می شود. هر وقت شیطان متوجه می شود که یک مولکول کمی سریعتر در نزدیکی گیره در محفظه سمت راست (سرد) حرکت می کند ، دیافراگم را باز می کند و اجازه می دهد از محفظه چپ (گرم) عبور کند. این کار برای کلیه مولکول های گاز کند حرکت در محفظه سمت چپ نیز انجام می شود و به آنها اجازه می دهد تا به محفظه سمت راست سردتر منتقل شوند. بنابراین ، مولکول های محفظه سمت چپ گرمتر و گرمتر می شوند ، در حالی که مولکول های محفظه سمت راست در آنتروپی معکوس سردتر و واضح تر می شوند. هنگامی که این اختلاف دما را دارید ، اساساً یک پمپ حرارتی دارید که می تواند کارهای مفیدی انجام دهد.

البته از نظر آماری ، تقسیم و تفکیک میلیاردها مولکول منفرد بر اساس سرعت و دما تقریباً غیرممکن است. در اصل ، مقدار زیادی انرژی اضافی مورد نیاز خواهد بود. دیو ماکسول این انرژی اضافی را تأمین می کند ، بنابراین آزمایش فکر واقعا یک سیستم بسته نیست و هیچ نقض قانون دوم وجود ندارد.

فیزیکدانان آزمایش های کاملاً هوشمندانه ای را ارائه داده اند تا نسخه ای از دیو را به آزمایشگاه بیاورند. به عنوان مثال ، دانشمندان اسکاتلندی در سال 2007 یک “جغجغه اطلاعاتی” ایجاد کردند تا اختلاف دمایی را در سیستم های شیمیایی ایجاد کند که در غیر این صورت در تعادل گرمایی باشد. سال بعد ، محققان دانشگاه اورگان به نسخه ای مبتکرانه دست یافتند که با استفاده از نور لیزر جعبه ای با دو لیزر دیگر ایجاد می کرد تا به عنوان سد مانع و “دیو” مرتب سازی شود.

در آزمایش فکر جدید ، دیو بارها و بارها یک ماشین اسلات بازی می کند که ممکن است هزینه انرژی رایگان (سکه های طلا) را بپردازد یا نپردازد.  شیطان از یک استراتژی استفاده می کند که به او اجازه می دهد یا برای مدت زمان مشخصی بازی را ادامه دهد (راست) یا اگر خوب است (زودتر برنده شود) تصمیم به توقف زودتر بگیرد.
بزرگنمایی / در آزمایش فکر جدید ، دیو بارها و بارها یک ماشین اسلات بازی می کند که ممکن است هزینه انرژی رایگان (سکه های طلا) را بپردازد یا نپردازد. شیطان از یک استراتژی استفاده می کند که به او اجازه می دهد یا برای مدت زمان مشخصی بازی را ادامه دهد (راست) یا اگر خوب است (زودتر برنده شود) تصمیم به توقف زودتر بگیرد.

G. Manzano و همکاران. / APS / آلن استون برکر

فیزیکدانان ژاپنی کشف کرده اند که چگونه می توان در کاغذ 2010 یک توپ نانو را از یک پله مارپیچ بالا برد. طبیعتبر اساس مفهوم موتور Szilard ساخته شده است. در سال 2013 ، دانشمندان آلمانی معادل آزمایشی دیو ماکسول را از یک جفت نقطه کوانتومی متقابل ساخته اند (قطعات کوچک نیمه هادیهایی که عرض آنها فقط چند نانومتر است). و در سال 2018 ، فیزیکدانان پن برای ایجاد معادل کوانتومی دیو ماکسول ، مجموعه ای اتم های اتفاقی را در بلوک های سازمان یافته مرتب کردند.

برای این آخرین مقاله ، همکار نویسنده گونزالو مانزانو از مرکز بین المللی فیزیک نظری (ICTP) در تریست ، ایتالیا و همکارانش فکر کردند که آیا می توانند استراتژی را تدوین کنند که به کنترل سطح بالایی از آزمایش اصلی فکر هنوز نیازی ندارد اجازه دادن به شیطان برای ایجاد این عدم تقارن بسیار مهم برای جمع آوری انرژی برای کار. در این نسخه جدید ، daemon ریز مقیاس فقط با باز و بسته شدن خودکار شاتر – و غیر قابل پیش بینی – می تواند منفعلانه نظارت کند. بسته به اینکه آیا ذرات سرد و گرم هر بار که دیافراگم باز و بسته می شود با موفقیت جدا می شوند ، دیو باید انتخاب کند که آیا “بازی” بازی را ادامه می دهد یا اینکه متوقف شود و از نو شروع کند.

در حقیقت ، دیو به نتیجه یک ماشین اسلات در مقیاس مولکولی اعتماد می کند و پس از هر چرخش تصمیم می گیرد که آیا بازی را ادامه دهد یا متوقف کند. هر حرکت دارای هزینه های عملیاتی مشابه هزینه هر چرخش است. دیو قمار باید با استفاده از نوسانات تصادفی در حرکت ذرات ، بهترین استراتژی را برای سود خالص موقتی در سود انرژی خود تعیین کند. مانزانو به APS Physics گفت: “یكی از راه های توسعه استراتژی های موفقیت آمیز این است كه وقتی اوضاع به گونه ای بدتر می شود متوقف شود تا از خسارات بزرگ جلوگیری شود.

میکروگراف الکترونی روبشی دستگاهی را نشان می دهد که برای تحقق دیو قمار استفاده شده است.  ساختارهای مخروطی شکل در هر طرف الکترودهایی است که از طریق آنها می توان الکترونهای منفرد بر روی جزیره مسی روبان بین خود پرید.  هر پرش مانند یک مولکول گاز است که از زندان شیاطین عبور می کند.
بزرگنمایی / میکروگراف الکترونی روبشی دستگاهی را نشان می دهد که برای تحقق دیو قمار استفاده شده است. ساختارهای مخروطی در هر طرف الکترودهایی است که از آنها می توان الکترونهای منفرد بر روی جزیره مسی روبان بین خود پرید. هر پرش مانند یک مولکول گاز است که از زندان شیاطین عبور می کند.

G. Manzano و همکاران ، 2021

مانزانو و دیگران. متوجه شد که هیچ استراتژی موفقی وجود ندارد: برخی از استراتژی های “متوقف کردن” موفقیت آمیز هستند و برخی دیگر موفق نیستند ، و حتی استراتژی های موفق فقط در کوتاه مدت کار می کنند. بازی را به اندازه کافی طولانی انجام دهید و انتروپی همیشه در پایان برنده شود. نویسندگان دریافتند که کلید دستیابی به سود خالص انرژی موقتی برای یک چرخه معین این است که اطمینان حاصل کنید توالی باز و بسته شدن کرکره تقارن چرخش زمان را می شکند (مطابق با پیکان زمانی که بر وجود مقیاس ما حاکم است).

این به دلیل یک دستگاه نانو الکترونیکی آزمایشی است که تیم با کمک فیزیکدان از دانشگاه آلتو Juka Pecola ایجاد کردند که در آن الکترونهای منفرد به یک جزیره فلزی متصل می شوند. همانطور که فیلیپ بال در APS Physics می نویسد:

[The device] شامل الکترودهایی است که توسط یک جزیره فلزی با شکاف جدا شده اند. وقتی کلوین از کسری از درجه خنک شود ، الکترونهای جداگانه می توانند بین جزیره و الکترودها بپرند. ولتاژ وارد شده به جزیره شانس پرش را کنترل می کند و بنابراین به عنوان یک پوشش عمل می کند. وقتی یک الکترون به جزیره می پرد ، گرمای استخراج شده از الکترود می تواند کار کند. برعکس ، وقتی یک الکترون از جزیره به الکترود می پرد ، گرما پراکنده می شود.

روشی مانند شیطان قمار ممکن است روزی عملکرد میکروموتورها مانند جغجغه های حرارتی را بهبود بخشد. محققان می گویند شیطان قمار آنها نیز باید در قلمرو کوانتوم فعالیت کند و توانایی دستگاه های کوانتومی را افزایش دهد که می توانند قانون دوم را برای استخراج از جهش های تصادفی کوانتومی به طور موقت شکست دهند.

DOI: نامه های بررسی فیزیکی ، 2021. 10.1103 / PhysRevLett.126.080603 (برای DOI).


منبع: khabar-tak.ir

دیدگاهتان را بنویسید

Comment
Name*
Mail*
Website*