Немецкие физики продемонстрировали необычный способ увеличения механической работы, получаемой от микроскопической системы, без использования разницы температур. Исследователи выяснили, что окружающая частицу жидкость способна сохранять информацию о ее предыдущих движениях. Если учитывать эту скрытую память, можно эффективнее управлять частицей и извлекать больше работы из ее случайных колебаний.
Исследование провели специалисты Института динамики и самоорганизации Общества Макса Планка совместно с Констанцским университетом. Научная работа под названием «Извлечение работы из скрытых степеней свободы» посвящена так называемым информационным двигателям, принцип действия которых основан на использовании результатов измерений.
Обычные тепловые машины преобразуют энергию в механическую работу благодаря разнице температур. Например, двигатель получает тепло от более горячего источника и передает часть энергии более холодному.
Информационные двигатели действуют иначе. Они используют сведения о случайном движении микроскопических объектов, которое возникает из-за непрерывных столкновений с молекулами окружающей среды.
Если измерить положение частицы и вовремя изменить воздействующую на нее силу, часть энергии этих случайных колебаний можно преобразовать в полезную механическую работу.
Однако прежние экспериментальные модели обычно рассматривали системы, в которых окружающая среда практически не сохраняет информацию о прошлых движениях частицы.
Немецкие ученые решили проверить, что произойдет, если вместо обычной жидкости использовать более сложную среду, обладающую своеобразной физической памятью.
В эксперименте микроскопическую частицу удерживали внутри жидкости, структура которой постепенно менялась под воздействием ее движения. Когда частица смещалась, окружающая среда перестраивалась, но возвращалась к прежнему состоянию не мгновенно.
Из-за этого дальнейшее движение частицы зависело не только от случайных воздействий в текущий момент, но и от того, как она перемещалась некоторое время назад.
Чтобы использовать такую особенность, исследователи измеряли положение частицы дважды, выдерживая между наблюдениями определенный промежуток времени.
Первое измерение давало сведения о текущем положении объекта. Второе позволяло сравнить изменения и получить дополнительную информацию о том, как частица взаимодействовала с окружающей жидкостью.
По отдельному измерению восстановить эти скрытые процессы было невозможно. Однако сопоставление двух наблюдений помогало частично определить состояние окружающей среды.
Полученные данные ученые использовали для управления частицей. Эксперимент показал, что учет памяти жидкости позволяет увеличить количество извлекаемой механической работы по сравнению с управлением, основанным только на одном измерении.
При этом речь не идет о получении энергии из ничего. Система подчиняется законам термодинамики, а извлекаемая работа связана с тепловыми колебаниями и информацией, необходимой для выбора управляющего воздействия.
Важнейший результат исследования заключается в том, что информация о прошлом состоянии системы может иметь самостоятельную физическую ценность. Даже если внутренние изменения окружающей среды невозможно наблюдать непосредственно, их влияние удается частично восстановить по движению частицы.
Такой подход расширяет представления об информационных двигателях, поскольку реальные микроскопические системы часто взаимодействуют со сложными средами, сохраняющими следы предыдущих воздействий.
Подобные свойства характерны, в частности, для вязкоупругих жидкостей, в которых поведение вещества зависит от истории его деформаций.
Авторы считают, что результаты работы помогут глубже понять способы управления микроскопическими объектами в сложных средах и особенности преобразования информации в механическую работу.
Однако практическое применение технологии пока остается открытым вопросом. Эксперимент проводился в лабораторной микросистеме, а получаемая работа чрезвычайно мала.
Исследование не означает создания двигателя, способного обеспечивать энергией бытовые приборы или промышленные установки. Его значение прежде всего в демонстрации нового принципа управления микроскопическими системами и использования ранее недоступной информации.
Работа представляет интерес для дальнейшего развития статистической физики, микромеханики и технологий управления отдельными частицами. Она показывает, что для повышения эффективности таких систем иногда необходимо учитывать не только их текущее состояние, но и физическую память окружающей среды.
Комментарии 0