Курьезы науки: демон Максвелла без батареек?

Немецкие физики решили воплотить в жизнь идею демона Максвелла — одного из самых популярных персонажей научной мифологии. Роль этого существа, по их мнению, вполне сможет сыграть система, состоящая из двух квантовых точек. Интересно, получится ли у них провести в реальности тот эксперимент, который великий Джеймс Максвелл осуществил мысленно?

Фото:

Те, кто читал замечательную повесть Аркадия и Бориса Стругацких "Понедельник начинается в субботу", наверное помнят, что в описываемом авторами институте НИИЧАВО вахтерами работали демоны Максвелла — существа, по мнению авторов, созданные "для коварного нападения на Второе начало термодинамики". На самом деле, великие фантасты несколько сгустили краски — исходно демон Максвелла ни на какое Второе начало термодинамики (в трактовке закона о не убывании энтропии, конечно же) нападать не собирался. Выдающийся шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл придумал это существо, преследуя совершенно другие цели.

Впрочем, а что это за демон такой, спросите вы? О нем известно лишь то, что он обитает в сосуде, разделенным перегородкой на две части — правую и левую. И кроме демона там еще летает множество молекул — одни из них холодные, а другие горячие. Единственным смыслом жизни данного существа является контроль за этими беспорядочными перелетами: он пропускает налево только горячие молекулы (то есть быстрые, с большой энергией), а направо — только холодные. В результате наблюдателю может показаться, что в данном сосуде через какое-то время энтропия (степень хаотичности системы) упадет до нуля, и воцарится полная упорядоченность.

Нетрудно догадаться, что существование такого демона (пусть даже в виде технического приспособления) многих бы порадовало — ведь, получается, что в данной системе удалось победить энтропию без внешних энергозатрат. Однако, увы, это не так, потому что демон тоже является частью системы. И если в сосуде он энтропию понизил, то вот его собственная энтропия в это время возросла до космических размеров. Именно для этого данное существо и было придумано Максвеллом — он на наглядном примере хотел доказать своим оппонентам принципиальную невозможность существования вечного двигателя второго рода.

Однако в дальнейшем демон зажил своей самостоятельной жизнью — многие ученые стали думать о том, возможно ли создать нечто, что бы напоминала этого неутомимого вахтера. Ведь это давало бы людям возможность обойти Второе начало термодинамики и создать множество интересных вещей. Увы, пока что "воплотить" этого демона в жизнь не удавалось даже теоретически — всегда, когда удавалось снизить без затрат энтропию в одном месте, оказывалось, что она возрасталагде-то еще.

Однако недавно группа ученых под руководством Филиппа Страсберга из Берлинского технического университета (ФРГ) решила попробовать оживить это интересное существо. Правда не совсем так, как это предполагал Максвелл. Исследователи предположили, что данный эксперимент следует проводить не с отбором молекул газа, а с получением информации на основе их движения при помощи двух взаимодействующих квантовых точек. Напомню, что таковой называют сверхмалый фрагмент проводника (или полупроводника), электрические свойства которого обусловлены его размером и формой, причем чем меньше размер такого кристалла, тем больше разрыв между его энергетическими уровнями. По сути, квантовая точка может пропускать через себя электроны по-одному.

По мнению немецких физиков, опыт нужно проводить так — для начала разместить одну квантовую точку между двумя резервуарами с молекулами (горячими), где она будет играть роль одноэлектронного транзистора. Вторая же точка будет присоединена к третьему резервуару (с холодными молекулами) — таким образом она может быть настроена на восприятие состояния первой, то есть быть детектором. И, что самое важное, когда первая точка, которая, как мы помним, является транзистором, находится в состоянии 1 (пополняется), то вторая пребывает в состоянии 0 (опустошается) — и наоборот.

В чем же здесь смысл? А в том, что если детектор будет работать бесконечно быстро и даст предельно точную обратную связь между обеими квантовыми точками, система будет получать дополнительную информацию. И хотя для работы квантовых точек потребуется ввод энергии в систему (в мысленном эксперименте Максвелла имелось в виду, что ввода энергии со стороны не будет, демон должен работать на собственном ресурсе), но ее не потребуется много.

Как отмечают авторы идеи, вся система является, по сути, термоэлектрическим устройством, где тепловой градиент используется для выработки электрического тока. Разумеется, при рассмотрении эксперимента в целом становится очевидно, что деятельность демона требует энергозатрат и, следовательно, не позволяет говорить о полной реализации задумки Максвелла. Однако без учета этих ничтожных затрат остальная часть эксперимента действительно выглядит нарушением второго закона термодинамики при соблюдении первого.

Однако, как мы знаем, теория — это еще не все. Сейчас ученые планируют осуществить этот эксперимент на практике. И, кто знает, может быть у них и получится воплотить идею демона Максвелла на практике. Пусть даже не в том виде, как это представлял себе гениальный физик…

Читайте самое интересное в рубрике "Наука и техника"