Maxwells Dämon umwandelt Informationen in Energie

Zum ersten Mal haben Wissenschaftler Informationen in reine Energie umgewandelt und experimentell überprüfen ein Gedankenexperiment erste vorgeschlagene vor 150 Jahren.

Die Idee war ursprünglich von dem Physiker James Clerk Maxwell formuliert, aber es gewann Kontroverse, weil es erschien den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik verletzt. In experimentellen Bedingungen ausgedrückt heißt es: dieses Gesetz wenn kaltes und warmes Wasser gemischt werden, werden sie schließlich erreichen ein Gleichgewicht mittelmäßig Temperatur.

Maxwell vorgeschlagen, eine hypothetische Wesen (später nannte Maxwells Dämon) konnte das Wasser in zwei Fächer zu trennen und kehren Sie den Prozess, heißen Moleküle gegen Kälte zu isolieren, indem man nur die heißer als der Durchschnitt durch eine Klappe zwischen den Abteilen.

Da Mischwasser mehr ungeordneten (d. h. der höhere Entropie) gilt als getrennte Wasser hat der Dämon ein System von einem Zustand der Unordnung umgewandelt, in einen Zustand der Ordnung, nur Informationen (das wissen die Moleküle heiß und kalt waren).

Das schien, gegen das Gesetz verstoßen, wonach auch die Entropie in einem isolierten System nicht abnehmen sollte. Das heißt, hätte der Dämon nicht in der Lage, warme und kalte Wasser zu trennen, ohne Energie.

Später ungarischen Physiker Leó Szilárd vorgeschlagen, dass der Prozess nicht die Gesetze der Physik gegen, denn der Dämon in der Tat etwas Energie, um festzustellen, welche Moleküle sind warme und kalte aufwenden hätte.

In die Tat umzusetzen

Während Wissenschaftler die Theorie zu diskutieren weiterhin haben, hat noch nie jemand das Experiment in die Tat umzusetzen.
Vor kurzem, haben Physiker Shoichi Toyabe der Chuo-Universität in Japan und seine Kollegen genau das.

"Heutzutage haben wir die Technologie, sogar einzelne Moleküle beobachtet werden und wir können sehr kleine Elemente sehr schnell kontrollieren, also im Prinzip nicht schwierig, eine Art von Maxwells Dämon zu machen", sagte Studie Co-Autor Masaki Sano an der University of Tokyo.

Die Forscher richten Sie eine sehr Miniaturversion einer Wendeltreppe und verursacht ein Molekül zu erklimmen diese Treppe mit Informationen.

Im Setup war die Treppe tatsächlich aus Lageenergie und mit elektrischen Feldern erstellt. Das Molekül hatte einige thermische Energie – Wärme – so es schwanken würde, in zufällige Richtungen bewegen.

Die Wissenschaftler nutzten eine High-Speed-Kamera um zu fotografieren, das Molekül. Wenn es passiert ist, die Treppe hinauf zu bewegen, sie lassen es sich frei bewegen, aber wenn es passiert ist, die Treppe hinunter zu bewegen, die Forscher blockiert seine Bewegung durch das Einfügen einer virtuellen Wand mit Hilfe eines elektrischen Feldes.

"Es ist wie das Teilchen zufällige Schritte nach oben oder unten macht, aber nur, wenn die Teilchen die Treppe hinauf geht, wir eine Mauer auf der Treppe setzen, die Partikel nach unten fallen zu vermeiden", sagte Sano LiveScience. "Das ist irgendwie eine Maxwells Dämon."

Als die Teilchen die Treppe hinauf ging, gewann sie Energie, weil sie zu einem Ort der höheren Potenzial – vergleichbar mit einer Bergbesteigung bewegt. Doch die Forscher nie das Teilchen den Berg hinauf schieben musste (d.h. arbeiten oder Eingang Energie) – sie verwendet einfach die Informationen, welche Richtung es geschah zu einem bestimmten Zeitpunkt, den Aufstieg zu führen zu bewegen in.

Energieschub

Nicht nur konnten die Forscher in der Lage, das Teilchen die Treppe hinauf zu bewegen, aber sie waren in der Lage, genau zu messen, wieviel Energie aus Informationen umgewandelt wurde.

Die Forscher beschreiben ihre Ergebnisse in den 14 November Online-Ausgabe der Zeitschrift Nature Physics.

In einem begleitenden Essay in der gleichen Ausgabe der Zeitschrift nannte Physiker Christian Van Den Broeck von der Universität Hasselt in Belgien, der nicht in der neuen Studie beteiligt war, es "eine direkte Überprüfung der Informationen zur Energieumwandlung."

Während das Experiment selbst zeigt, dass es möglich ist, Energie aus Informationen, in der Praxis zu schaffen, bieten nicht die Technik Potenzial zur Lösung der Energiekrise absehbarer Zeit.

"Die wahre energetische Kosten für diese Informationen Energieumwandlung experiment liegt etwas versteckt in ihren riesigen peripheren Apparat (einschließlich der Doktorandin, die das Experiment in Betrieb ist)," schrieb Van Den Broeck. "So ist das Experiment erinnert an produziert einen winzigen Schuss von Energie aus Kernfusion in einem Reaktor, der deutlich mehr Energie verbraucht wird."

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