Moscow Institute of Physics and Technology 및 Institute of Theoretical Physics의 양자 정보 이론 연구소의 주요 연구원은 L.D. Landau RAS Gordey Lesovik:
- 열역학 제2법칙의 공식 중 하나에 따르면, 열은 뜨거운 물체에서 차가운 물체로 전달됩니다. 이것은 일반적이고 이해할 수 있는 현상입니다. 그러나 Maxwell의 악마를 닫힌 시스템으로 실행하면(시스템의 질서 정도를 높이는 것으로 믿어짐) 원하는 경우 자연스러운 질서를 방해하고 무질서를 제거할 수 있습니다. 고에너지 원자 또는 분자를 반사하고 흐름을 변경하여 시스템 내에서 완전히 다른 프로세스를 시작합니다. 양자 장치를 사용하여 유사한 프로세스를 수행할 수 있습니다.
맥스웰의 악마의 도식적 표현. 사진: commons.wikimedia.org
우리는 일반적으로 양자역학이 매우 고전적인 열역학 법칙을 제공하고 사물의 자연적 질서를 보장하지만, 이 과정을 위반할 수 있는 조건을 인위적으로 만드는 것이 가능하다는 것을 보여주었습니다. 즉, 이제 Maxwell의 양자 악마, 즉 인공 원자(일반적으로 큐비트, 즉 양자 비트라고 함)는 차가운 물체에서 뜨거운 물체로 열을 전달할 수 있으며 그 반대는 불가능합니다. 이것은 우리 작업의 주요 뉴스입니다.
가까운 장래에 우리는 실험적으로 자연 열 흐름을 반대로 시작할 양자 냉장고를 만들 계획입니다. 동시에 우리의 슈퍼 냉장고는 변환 자체에 에너지를 소비할 수 없지만 (어떤 의미에서) 몇 미터 떨어진 소스에서 추출할 수 있습니다. 이러한 관점에서 우리의 양자 냉장고는 (로컬적으로) 절대적으로 에너지 효율적일 것입니다. 오해를 피하기 위해 원격 에너지 원을 고려할 때 열역학 제 2 법칙의 유효성이 복원되고 전체적으로 세계 질서가 침해되지 않는다는 점을 강조하는 것이 중요합니다.
Maxwell의 양자 악마의 응용 분야에 관해서는, 즉 우리 장치의 첫 번째는 물론 양자 역학 분야입니다. 예를 들어 일반 컴퓨터는 작동 중에 종종 뜨거워지고 양자 장치에서도 똑같은 일이 발생하며 이러한 프로세스는 정상 작동에 훨씬 더 중요합니다. 그것들 또는 일부 개별 마이크로칩을 식힐 수 있습니다. 이제 우리는 100%에 가까운 효율성으로 이를 수행하는 방법을 배우고 있습니다.
물론 그러한 실험을 통해 미래에 두 번째 유형의 영구 운동 기계 생성에 대해 이야기 할 수 있습니다. 배터리가 필요하지 않으며 엔진은 가장 가까운 열 저장소에서 에너지를 추출하여 일종의 나노 장치를 이동하는 데 사용할 수 있습니다.
두 번째 종류의 영구 운동 기계는 움직이면 주변 물체에서 추출한 모든 열을 일로 변환하는 기계입니다. 열역학 법칙에 따르면 여전히 실현 불가능한 아이디어로 간주됩니다.
악마 맥스웰, 양자 악마
제임스 맥스웰(James Maxwell)이 1867년 시간을 되돌릴 수 있는 힘을 생각해냈을 때 기발한 아이디어는 기체 분자의 미세한 움직임을 추적하여 엔트로피 법칙을 뒤집을 수 있는 "악마"의 실현을 묘사했습니다. 이런 식으로 악마는 적어도 맥스웰의 환상에서는 닫힌 시스템의 무질서 증가를 역전시킬 수 있었습니다.
악마 인식에 대해 자세히 알아보기
맥스웰의 상상 속의 악마는 닫힌 상자 안에 있었고 분자의 흐름을 역전시켜 타락한 질서를 재현했습니다. 아래에서 이 악마를 나타내는 웃는 얼굴을 볼 수 있습니다.
(사진 아래 설명: 분자 상자 속의 악마)
물질의 의식의 원형인 악마는 무슨 일이 일어나고 있는지 알아차리고 그것을 통제하며 특별한 선택을 합니다. 그것은 상자의 한쪽에 뜨거운 재료를 보관하고 다른쪽에는 더 차가운 재료를 보관하여 원래의 "질서"(뜨거운 것과 차가운 것)가 저하되지 않도록 합니다. 악마는 닫힌 시스템에서 에너지에 대한 접근성이 떨어지거나 정보가 손실되지 않도록 모든 것을 배열합니다. 악마는 컨테이너에 있는 가스의 두 부피를 분리하는 칸막이를 열고 닫는 의식을 사용함으로써 열역학 제2법칙을 역전시킵니다. 지금까지 아무도 일반적으로 받아 들여지는 현실에서 그러한 악마를 찾거나 만들 수 없었습니다.
그러나 Maxwell의 환상은 그가 깨달은 것보다 더 사실일 수 있습니다. 내가 보기에는 그는 우리의 인식 능력, "나노스코픽" 사건이나 희롱을 알아차리는 능력을 투사하고 있는 것 같습니다. 이 거의 측정 불가능한 양자 인식은 꿈나라에서 선택을 할 수 있는 인식의 능력입니다.
맥스웰의 악마는 실로 심리 치료의 잠재적인 영웅입니다. 왜냐하면 이전의 패턴이 사라진(잊혀지고, 억압되고, 무시되고, 소외된 등) 패턴을 봄으로써 질서를 회복하는 것은 우리의 일부이기 때문입니다. 내 생각에 열역학 제2법칙은 최소한의 인식을 사용하는 수용된 현실에서 전형적인 삶의 방식을 투영한 것입니다. 맥스웰의 악마는 측정할 수 없는 아원자 수준의 나노 이벤트에서 작동하고 적어도 노화의 감각을 완화할 수 있는 우리의 명확한 인식을 나타냅니다.
Maxwell의 악마에 투영된 심리적 원리는 다음과 같습니다.
기존 현실의 어수선함에 숨겨진 질서를 보는 것은 더 많은 가용 에너지를 생성합니다.
증상의 미묘한 신호를 무시하거나 심지어 억제하는 것은 우울하고 파괴적입니다. 증상을 주의를 요하는 "요구"로 인식하면 어수선한 것에서 정리할 수 있고 일반적으로 작업할 수 있는 더 많은 에너지를 얻을 수 있습니다. 경험의 소외는 당신을 썩어가는 우주처럼 느끼게 합니다.
나는 맥스웰의 악마를 일종의 "양자 인식 악마"라고 부르는데, 이는 원자와 분자뿐만 아니라 아원자 사건의 움직임을 추적하는 명확한 의식 광선입니다. Maxwell의 생애 동안 양자 역학은 아직 발명되지 않았습니다. 그는 아직 파동 함수에 대해 몰랐습니다. 그들은 50년 후에 나타날 것이었다. 그러나 그가 오늘날에 산다면 미묘한 추세, 꿈나라 양자 파동, 그리고 그들이 우리에게 주는 지침을 알아차리고 추적할 수 있는 일종의 인식에 확실히 관심을 가질 것입니다. 내가 상상하는 것처럼 그는 우리의 의식에서 깜박이는 모든 미묘한 감정을 무시하는 것이 황폐화에 기여하고 실제보다 나이가 들게 만든다고 말할 것입니다.
다음 운동은 당신이 사용할 수 있는 물리적 에너지의 양을 증가시키는 악마의 능력을 발견하고 경험할 수 있는 기회를 제공합니다. 우리는 특히 당신의 삶의 "닫힌" 영역에 초점을 맞출 것입니다.
네엔트로피에 대한 자각 훈련
1. 편안히 앉아 노화에 대해 어떻게 느끼는지 생각해 보십시오. 당신은 그것에 대해 무엇을 좋아합니까? 좋아하지 않는 것은 무엇입니까?
예를 들어, 많은 사람들은 자신의 잠재력을 발휘할 수 있는 기회를 즐기지만 에너지 손실과 소위 "매력"을 싫어합니다. 어떤 사람들은 인생이 끝났다고 생각합니다.
2. 준비가 되면 들어 올리거나 밀 수 있는 것이 있는지 주위를 둘러보십시오. 방안에 서 있다면 의자를 들거나 벽 중 하나를 밀고 얼마나 많은 에너지를 사용할 수 있는지 확인하십시오. 물건을 들거나 밀 때 “지금 내 에너지가 얼마나 가용한가?”라고 스스로에게 물어보십시오. 이 에너지 양을 기록하십시오. 85%, 50% 또는 15%는 얼마입니까? 당신은 몇 살입니까?
예를 들어, 오늘 의자를 들었을 때 의자가 예상보다 무거워 보였습니다. 내 에너지의 약 50%를 사용할 수 있다고 말할 수 있습니다.
3. 당신이 가지고 있는 가용 에너지 또는 등척성 에너지의 양은 당신 내면의 질서 감각에 크게 좌우됩니다. 이제 "무질서"해 보이는 삶의 한 영역에 대해 생각해보십시오. 가능하면 이전에 작업한 것처럼 관계나 신체 증상이 아닌 새로운 영역을 선택하십시오.
예를 들어, 당신은 당신의 일, 당신의 재정, 또는 당신의 책상 위나 당신이 시간을 어떻게 사용하는지에 대해 무질서함을 느낄 수 있습니다. 아마도 "엉망"은 비판에 대한 당신의 태도입니다.
시력을 잃지 마십시오 무시개선이 필요한 삶의 영역. 그러한 영역이 많은 경우 지금은 하나만 선택하십시오. 아무거나 선택하십시오. 이 지역을 어떻게 피할 수 있습니까? 이 영역은 어떤 의미에서 "폐쇄"되어 있습니까? 이 영역과 관련된 질문을 피하거나 "잊으십니까"? 이 질문을 어떻게 잊습니까? 잠을 더 자려고 노력하고 있습니까, 아니면 단지 그것에 대해 불평하고 있습니까? 당신은 그것들을 당신의 마음에서 지우고 있습니까? 이 공간을 청소하는 대신 TV를 보거나 영화를 보십니까?
4. 이제 이 무질서한 영역을 생각하면서 그것이 어떤 "공간"에 있는지 상상해보십시오. 이 공간에서는 어떤 색과 움직임이 일어나는가? 이 무질서한 삶의 영역을 담고 있는 공간의 특징을 자신의 말로 표현해보세요.
예를 들어, 회색이나 흐릿하게 보입니까? 회전과 휘젓기?
이 "무질서한 영역"이 있을 수 있는 신체 외부의 어떤 장소를 식별할 수 있습니까? 이 공간이 어디에 위치할까요? (예: 앞, 뒤 등). 몸 옆에 정렬되지 않은 영역을 그립니다.
(그림의 비문은 위에서 아래로 : 재정에 완전한 혼란이 있고 큰 뇌운이 있습니다. 오 불쌍한 머리! 무질서한 영역이 머리에 영향을 미칩니다)
그림에서 무질서한 영역은 금융과 관련되어 오버 헤드로 나타납니다.
이 공간에 가장 가까운 신체 부위는 어떻게 느껴지나요? 이 부위 근처에 신체 증상이 있습니까? 작업할 신체 증상을 선택하거나 증상 중 하나를 선택하십시오. 이 증상이 노화와 관련이 있습니까?
5. 신체 해당 부위의 증상에 초점을 맞추고 두 가지 측면을 식별합니다. 예를 들어, 이 증상을 유발한다고 의심하거나 상상하는 에너지의 이미지를 형성할 수 있는지 확인한 다음 해당 에너지 또는 행동을 받는 사람에 대해 동일한 작업을 수행합니다. 즉, 말하자면 "증상 유발자"와 "증상 수용자"를 상상해 보십시오.
이 두 수치를 상상하는 한 가지 방법은 느끼다증상, 또는 당신이 그것을 느낀다고 상상해보십시오. 그런 다음 강도를 높여 그 느낌을 과장하십시오. 주의를 기울여 비슷한 강도를 구현할 수 있는 그림이 나타날 때까지 이 느낌을 유지하십시오.
예를 들어, 두근거리는 두통이 있는 경우 화난 사람이 테이블을 쿵쾅거리고 예민한 인물(예: 테이블 자체)이 쿵 소리에 다칠 때까지 쿵 하는 느낌을 강조할 수 있습니다.
각 그림이 표현하는 메시지를 인식하도록 노력하십시오.
예를 들어, 화난 사람은 "나는 일을 이겨내야 해"라고 말하는 반면 다른 사람은 "제발 이러지 마세요. 너무 무례하고 상처가 됩니다!"라고 말할 수 있습니다.
6. 이 두 인물, 한 사람은 고통을 겪고 있고 다른 한 사람은 증상을 일으키는 모습을 상상해 보십시오. 그리세요. 그런 다음 당신의 상상력이 자발적으로 의식이 작용하여 이 두 에너지 사이의 갈등을 해결하는 존재를 창조하도록 하세요. 예를 들어, 숙련된 중재자, 지니, 정령, 만화 캐릭터 등 두 가지 에너지를 모두 다룰 수 있는 사람을 상상해 보십시오. 그것을 설명하십시오. 그려 봐.
예를 들어, 나의 독자 중 한 사람은 그녀의 세속적 야망과 이 야망에 의해 부담을 받는 부분 사이에서 갈등을 겪었습니다. 놀랍게도 그녀는 이 두 에너지 사이의 갈등을 해결하는 데 도움을 준 사제를 보았습니다. 아래에서는 세 가지 도형을 모두 그려 보았습니다.
신부는 그녀의 두 부분을 축복했고 부드러워졌습니다.
(그림 아래 설명, 왼쪽부터: 부담스러운 부분, 영혼의 도우미, 야심찬 부분)
어느 시점에서, 당신은 당신의 영적 인도자, 당신의 양자 인식의 악마가 되려고 할 수 있습니다. 꿈꾸는 몸의 심리적으로 닫힌 시스템에 들어가 개입하십시오. 해당 증상 영역에서 두 부분 간의 갈등 해결을 용이하게 합니다.
결과 이야기를 상상해보십시오. 양자 악마가 마법처럼 개입하여 해결책을 찾게 하세요.
증상 부분에 사제가 나타내는 신이 없는 독자. 처음에 독자는 신부와 동일시하기를 주저했지만, 그녀는 어떤 의미에서 이미 자신의 삶을 "신성"에 바쳤다는 것을 깨달았습니다.
7. 호흡을 사용하여 이 갈등 해결의 느낌에 집중하고 가능하면 증상이 있는 부위에서 안도감을 느끼십시오.
8. 이 연습을 시작한 무질서한 삶의 영역에서 이 솔루션이 어떻게 사용될 수 있는지 상상해 보십시오. 공간, 색상 및 움직임과 같은 원래의 잡동사니를 상기하고 해당 영역이 어떻게 변형되었는지 기록(더 나은 방법으로 그리는 것)하십시오. 그것에 "작업"하지 말고 상황이 더 나아질 때까지 내부에서 일이 일어나도록 내버려 두십시오.
9. 마지막으로 벽이나 의자로 돌아가 조심스럽게 이 작업이 인생에서 필요한 일을 할 수 있는 에너지 감각에 어떤 영향을 미쳤는지 다시 살펴보십시오. 가용 에너지에 어떤 변화가 있습니까?
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뇌의 비밀 책에서. 왜 우리는 모든 것을 믿는가 저자 셔머 마이클정보에서 어떻게 에너지를 얻을 수 있습니까? 최근까지 악마 만이 이것을 할 수있었습니다. 열역학 제 2 법칙의 역설을 설명하기 위해 위대한 물리학 자 제임스 맥스웰이 1867 년에 발명 한 환상적인 생물입니다. 이제 일본 과학자들은 그러한 실험 모델을 개발하는 데 더 가까워졌습니다. 미래에 그들은 정보를 "먹을" 나노머신을 만들기를 희망합니다. 과학자들의 작업이 출판되었습니다. 자연 물리학.
악마는 "각 분자의 궤적을 따라갈 수 있고 우리가 완전히 접근할 수 없는 행동을 수행할 수 있습니다."
즉, 악마는 개별 분자를 구별하고 분류할 수 있습니다. 이 능력에서 에너지를 추출하는 방법은 무엇입니까? 칸막이에 의해 두 부분으로 나누어진 용기를 상상해 보십시오(그림에서). 용기는 두 가지 유형의 분자로 채워져 있습니다. "뜨거운"(그림에서 어두운) 입자는 더 빨리 움직이고 "차가운"(그림에서 밝은) 입자는 더 천천히 움직입니다. 평형 상태(그림의 위쪽 부분)에서 분자는 열역학 제2법칙에 따라 혼합됩니다. 고립된 상태의 모든 시스템은 최대 엔트로피, 즉 최대 무질서가 되는 경향이 있습니다.
"맥스웰의 악마" 일러스트//nanometr.ru
그러나 칸막이에는 같은 악마가 열고 닫을 수 있는 구멍이 있습니다. 즉, "뜨거운" 입자와 "차가운" 입자를 구별합니다. 따라서 모든 "뜨거운" 입자가 파티션의 오른쪽에 있고 "차가운" 입자가 왼쪽에 있도록 "작동"할 수 있습니다. 이를 위해 그는 Brownian (무작위로) 왼쪽에서 "뜨거운"입자를 이동하여 파티션을 극복하도록 허용하지만 오른쪽에서는 그렇지 않습니다 ( "차가운"입자로 반대 작업 수행). 결과적으로 질서 있는 상태는 무질서한 상태에서 나오게 되는데, 이는 열역학 제2법칙에 위배된다. 입자의 품질에 대한 정보만 사용하는 Maxwell의 악마는 용기의 두 부분의 온도 차이로 인해 에너지를 생성한 다음 사용할 수 있습니다.
따라서,
처음에는 악마가 "무에서"에너지를 받고 영구 운동 기계를 만드는 것처럼 보였습니다.
그러나 무작위로 움직이는 입자에 대한 정보를 얻으려면 악마 자체가 일정량의 에너지를 소비해야 하기 때문에 역설이 해결되었습니다. 따라서 여기에서는 열역학 법칙을 위반하지 않습니다. 에너지는 악마가 수행하는 작업에서 발생합니다.
어떤 식으로든 악마의 물리적 작동 모델을 만들고 작동 방식을 보여주는 데 성공한 사람은 아무도 없습니다.
그러나 일본 과학자들은 Nature Physics 최신호에서 그러한 실험의 성공을 보고했습니다. 그들은 폴리머 볼과 전기장을 사용하여 미니어처 "악마"를 만들었습니다.
실험에는 직경이 0.3μm(300nm)인 일반 플라스틱인 폴리스티렌 공 두 개를 사용했습니다. 그 중 하나는 유리 표면에 고정되었고, 두 번째는 첫 번째 주위를 자유롭게 회전할 수 있도록 배치되었습니다. 전체 시스템을 액체에 담갔습니다. 액체 분자의 혼란스러운 움직임의 결과로 시스템은 동일한 주파수로 시계 방향과 시계 반대 방향으로 회전했습니다 (공의 크기가 작기 때문에 액체의 변동을 성공적으로 "느꼈습니다").
그런 다음 추가 전기장이 액체에 적용되어 볼 시스템에 회전 모멘트를 부여했습니다. 시스템 회전 그림이 보존되었습니다. 어떤 경우에는 유체 입자의 무질서한 운동 에너지가 전기장의 반대 방향으로 공을 돌리기에 충분했지만, 훨씬 더 자주 시스템은 전기장에 의해 부여된 회전 모멘트를 따랐습니다.
'악마' 그 자체가 전기장을 제어하는 카메라와 컴퓨터의 형태로 '무대'에 등장했다.
카메라는 시스템의 회전을 제어했습니다. 시스템이 적용된 전기장에 독립적으로 저항하자마자 컴퓨터의 "악마"가 모드를 변경하여 시스템을 올바른 방향으로 약간 "밀었습니다". 그런 다음 그녀는 브라운 운동의 힘만을 사용하여 다시 그를 따라갔습니다.
이러한 방식으로 회전 시스템은 기계적 에너지를 생성했습니다. 계산에 따르면 생성된 에너지는 시스템에 적용된 전기장의 에너지보다 약간 더 큽니다. "Demon"은 시스템을 생성하기 위해 시스템의 회전 방향에 대한 정보만 필요했습니다. 실온에서 1비트의 정보가 3x10 -21 줄의 매우 작은 에너지를 생성할 수 있다는 것이 밝혀졌습니다.
저작자 중 한 명인 토야베 쇼이치 씨는 “우리는 ‘악마’가 작업하는 동안 얻은 정보와 에너지의 비율을 보여주고 그 작업의 기본 원리를 확인했다”고 말했다. 새로운 과학자.
그는 시스템에서 생성되는 에너지는 무시할 수 있지만 미래에는 나노 장치에 전원을 공급하는 데 사용할 수 있다고 강조했습니다.
열역학 제2법칙을 위반하는 것이 가능한가?
소설과 마찬가지로 과학에도 환상적인 캐릭터가 있습니다. 아마도 대부분은 열역학 제2법칙을 논의하는 과정에서 발명되었을 것이다. 이들 중 가장 인기 있는 것은 전자기장을 완벽하게 설명하는 유명한 Maxwell 방정식 시스템의 저자인 James Clerk Maxwell이 발명한 Maxwell 악마였습니다. 열역학의 두 번째 법칙(또는 법칙)에는 많은 공식이 있지만 물리적 의미는 동일합니다. 고립된 시스템은 덜 정렬된 상태에서 더 정렬된 상태로 자발적으로 이동할 수 없습니다. 따라서 서로 다른 속도로 움직이는 분자로 구성된 가스는 자발적으로 두 부분으로 나눌 수 없습니다. 그 중 하나는 평균적으로 평균 속도보다 빠르게 움직이는 분자를 모으고 다른 하나는 더 느리게 움직이는 분자를 모을 것입니다.
많은 물리적 프로세스가 범주에 속합니다. 거꾸로 할 수 있는.예를 들어, 물은 얼 수 있고 결과 얼음은 다시 녹을 수 있으며 동일한 양과 상태의 물을 얻을 수 있습니다. 철은 자화되고 나서 자화될 수 있습니다. 이 경우 프로세스의 초기 및 최종 지점에서 시스템의 엔트로피(질서 정도)는 변경되지 않습니다. 연소, 화학 반응 등 열역학적으로 돌이킬 수 없는 과정도 있습니다. 즉, 열역학 제2법칙에 따르면 모든 과정은 궁극적으로 시스템의 질서를 유지하거나 감소시킵니다. 이 부조화 상황은 19세기 후반의 물리학자들을 크게 당황시켰고, 맥스웰은 열역학 제2법칙을 우회하고 폐쇄계에서 혼돈의 꾸준한 성장을 역전시킬 수 있는 것처럼 보이는 역설적인 해결책을 제안했습니다. 그는 다음과 같은 "사고 실험"을 제안했습니다. 가스 원자 크기의 단일 문이 있는 기밀 칸막이로 둘로 나누어진 밀봉된 용기를 상상해 보십시오. 실험 초기에 용기의 윗부분에는 기체가 들어 있고 아랫부분에는 완전한 진공이 들어 있습니다.
이제 미세한 파수꾼이 문에 부착되어 분자를 경계하면서 관찰한다고 상상해보십시오. 그는 빠른 분자를 위한 문을 열고 칸막이를 통해 용기의 아래쪽 절반으로 통과시키고 느린 분자는 위쪽 절반에 둡니다. 그러한 미니 파수꾼이 문에서 충분히 오래 근무하면 가스가 두 부분으로 나뉩니다. 느린 분자로 구성된 차가운 가스는 상단에 남아 있고 빠른 분자의 뜨거운 가스는 내부에 축적됩니다 하단 부분. 따라서 시스템은 초기 상태와 비교하여 정렬되고 열역학 제 2 법칙이 위반됩니다. 또한 온도차를 이용하여 일( 센티미터.사이클과 카르노의 정리). 그러한 파수꾼이 영원히 근무 (또는 교대 근무를 조직)하면 우리는 영구 운동 기계를 갖게 될 것입니다.
과학자의 재치있는 동료들로부터 "맥스웰의 악마"라는 별명을 얻은이 재미있는 파수꾼은 여전히 과학 민속에 살고 있으며 과학자들의 마음을 설레게합니다. 실제로 영구 운동 기계는 인류에게 해를 끼치 지 않지만 여기에 문제가 있습니다. 분명히 Maxwell의 악마가 작동하려면 접근하는 분자를 비추고 선별하는 데 필요한 광자 유입 형태의 에너지 공급이 필요합니다. 또한 분자를 선별하는 동안 악마와 문은 그들과 상호 작용할 수밖에 없으며 그 결과 그들 스스로 꾸준히 열 에너지를 받고 엔트로피를 증가시켜 시스템의 총 엔트로피는 여전히 감소하지 않습니다. 즉, 이 설명으로 열역학 제2법칙에 대한 이론적 위협을 피할 수 있었지만 무조건적으로는 아니었다.
진정으로 설득력 있는 첫 번째 반론은 양자역학이 탄생한 직후 공식화되었습니다. 들어오는 분자를 분류하기 위해 악마는 속도를 측정해야 하지만 하이젠베르크의 불확정성 원리로 인해 충분한 정확도로 이를 수행할 수 없습니다. 또한 동일한 원리로 인해 그는 공간에서 분자의 위치를 정확하게 결정할 수 없으며 미세한 문을 여는 분자 중 일부는이 문을 놓칠 것입니다. 즉, 맥스웰의 악마는 자신의 법칙에 따라 사는 마이크로 세계의 도자기 가게에서 거시적 코끼리로 밝혀졌습니다. 악마를 양자 역학의 법칙에 맞추면 그는 가스 분자를 분류할 수 없으며 열역학 제2법칙에 위협을 가하는 것을 멈출 것입니다.
파수꾼 악마의 존재 가능성에 대한 또 다른 강력한 주장은 이미 컴퓨터 시대에 나타났습니다. Maxwell의 악마가 전산화된 자동 문 열림 제어 시스템이라고 가정해 봅시다. 이 시스템은 접근하는 분자의 속도와 좌표에 대한 수신 정보를 비트 단위로 처리합니다. 분자를 전달하거나 거부하면 시스템은 이전에 주문한 정보를 재설정해야 합니다. 이는 분자가 전달되거나 거부될 때 가스 주문의 결과로 엔트로피가 감소하는 것과 동일한 양만큼 엔트로피가 증가하는 것과 같습니다. 컴퓨터 악마의 RAM에서 지워졌습니다. 또한 컴퓨터 자체도 가열되어 가스실과 자동 처리 시스템으로 구성된 폐쇄 시스템의 모델에서 엔트로피가 감소하지 않고 열역학 제 2 법칙이 충족됩니다.
악마에게는 유감입니다. 그는 귀여운 캐릭터였습니다.
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맥스웰의 악마의 불가능성에 대한 놀랍도록 무력한 설명!
세계의 양자 불확실성에 대한 논쟁이 논쟁으로 사용됩니다! 결과적으로 저자는 기계적 입자로만 구성된 모델 열역학 세계에서 악마의 존재 불가능성에 반대하는 주장을 하지 않습니다. 결국, 세계가 기계적 입자로 구성되어 있다면 악마가 "열을 가할 것"이라고 말하는 것은 의미가 없으며 파티션을 열지 여부 등을 결정하기 위해 입자를 "조명"해야 합니다.
빛을 비추거나 입자와 상호 작용하는 기계 악마가 필요하지 않다는 단순한 개념은 교수에게 발생하지 않았습니다. 용기에 있는 모든 입자의 초기 충동과 좌표를 알고 있는 악마는 빠른 입자가 칸막이까지 날아가서 여는 순간을 간단히 계산할 수 있습니다. 또한 탄성충돌시에는 가열이 일어나지 않으므로 악마의 엔트로피가 증가하지 않는다.
일반적으로 교수와 모든 현대 물리학의 어려움의 근원은 엔트로피에 대한 불분명한 생각입니다. 물리학자들은 이것이 객관적인 범주라고 주장하지만 그 정의에는 "무질서", "무질서의 척도"라는 주관적 개념이 포함됩니다. 무질서를 객관적으로 측정할 수 있는 방법은 없습니다.
답변
> 놀랍도록 무력한 설명... 세계의 양자 불확실성에 대한 논쟁이 관련되어 있습니다!
당신은 그 설명이 무력하다고 생각할지 모르지만 그것이 그것이 옳다는 사실을 바꾸지는 않습니다. Maxwell의 악마의 불가능성은 양자 불확실성과 직접적으로 관련이 있습니다.
> 악마는 용기에 있는 모든 입자의 초기 충동과 좌표를 알고 있으므로 빠른 입자가 파티션으로 날아가서 여는 순간을 간단히 계산할 수 있습니다.
악마는 그런 종류의 것을 알지 못합니다. 그리고 주된 이유이것은 양자 불확실성이 작용하는 곳입니다. 그러나 그것 없이도 순전히 기계적인 세계에서 분자 운동의 궤적을 정확하게 예측하는 것은 수학적 당구 이론에서 연구되는 궤적의 기하 급수적 발산 효과로 인해 불가능한 것으로 판명되었습니다. 짧은 시간 후 초기 위치에 대한 지식의 임의의 작은 오류는 주어진 값을 초과합니다.
또 다른 이유가 있습니다. 악마가 분자의 모든 위치를 추적할 수 있으려면 충분한 기억력이 있어야 하며 분자에 미치는 영향의 결과에 따라 내용을 변경할 수 있어야 합니다. 메모리는 물리적 장치이며 엔트로피가 있습니다. 계산에 따르면 이 메모리에 축적되는 엔트로피는 가스의 감소를 보상(또는 초과)합니다. (모든 계산은 1980년대에 "In the world of science" 저널의 기사 중 하나에서 인용되었지만 지금은 링크를 제공할 수 없습니다.)
> 일반적으로 교수의 어려움의 근원과 엔트로피에 대한 모든 현대 물리학-모호한 아이디어.
엔트로피는 정말 어려운 개념이지만 이 문제에서는 모든 것이 명확합니다.
> 물리학자들은 이것이 객관적인 범주라고 주장하지만 그 정의에는 "무질서", "무질서의 척도"라는 주관적 개념이 포함됩니다.
당신은 잘못. 엔트로피의 _정의_는 "무질서"의 개념을 포함하지 않습니다. 대중적으로만 사용되므로 이 개념에 대한 비유적이고 부정확한 설명입니다. 엔트로피에 대한 공식적인 정의(그런데 엔트로피가 많이 있습니다)에는 그런 종류가 없습니다. 예를 들어 가장 일반적인 두 가지 정의와 물리학은 다음과 같습니다.
엔트로피는 연구 대상 시스템이 위치한 하나의 매크로스테이트를 구현하는 마이크로스테이트 수의 로그에 비례하는 값입니다(S = k*ln(W)).
엔트로피의 증가는 시스템의 온도와 관련된 시스템이 받는 에너지입니다(dS = qQ/T).
예를 들어 http://www.cultinfo.ru/fulltext/1/001/008/126/734.htm에서 이에 대한 자세한 내용을 읽을 수 있습니다. 다소 방대한 이 백과사전 기사에서 "무질서의 척도"는 S = k*ln(W) 방정식에 대한 설명으로 한 번만 언급됩니다.
답변
>> 맥스웰의 악마의 불가능성은 양자 불확실성과 직접적으로 관련이 있습니다.... 악마는 그런 것을 알 수 없습니다. 그리고 여기서 주된 이유는 정확히 양자 불확실성... 악마가 분자의 모든 위치를 추적할 수 있으려면 충분한 메모리가 있어야 하며 분자에 대한 영향의 결과에 따라 내용을 변경할 수 있어야 합니다. 메모리는 물리적 장치이며 엔트로피가 있습니다.
ㅋ. 하하하. 그리고 악마도 이 문을 열고 닫으려면 팔과 다리가 필요합니다. 그리고 밥을 먹어야지... 정말 이 수수께끼가 엔트로피, 양자불확실성 같은 유행어가 포함된 저속한 변명으로 아직도 풀리고 있는 건가... 악마의 기억(!!!) 신이 우스꽝스럽다.
악마는 없습니다. 튀는 공으로 가득 찬 방을 상상해 봅시다. 완벽하게 탄력 있고 마찰이 없습니다(기체 분자의 기계적 유추). 방 한쪽에는 어느 정도 높이의 장벽으로 막힌 구멍이 있습니다. 이 장벽 위로 튀는 공은 결국 방에서 다음 방으로 날아가고 느리게 튀는 공만 첫 번째 방에 남습니다. 장벽에 메모리 또는 에너지, 광자, 뮤온, 보손 또는 싱크로파소토론이 필요합니까? 그는 엔로피를 계산하거나 아스트랄 힘을 끌어들일 필요가 있습니까? "빠른 공이 다음 방에서 돌아올 것"이라는 주제에 대한 잠식을 즉시 중단하기 위해 두 번째 방에 공이 세 번째 방으로 날아가는 깔때기를 만들고 다시 날아 가기 어렵습니다.
전자 제품에서 배리어 효과(손실(!) 없이 특정 값 이상의 에너지를 가진 전자는 배리어를 통과하고, 배리어가 없는 전자는 통과하지 않지만 에너지를 잃지 않음)는 오랫동안 알려져 왔으며 힘과 함께 사용되고 있습니다. 기본. 일반적인 개발을 위해 Google을 찾아보세요.
이 공의 "역설"과 이에 따라 Maxwell의 선박은 매우 간단하게 해결됩니다. 공을 정렬한다는 사실 자체가 작동하지 않습니다. 일은 빠른 공의 에너지를 사용(취득)하는 것이다. 그리고 일단 공에서 에너지를 사용(제거)하면 더 이상 장벽을 뛰어 넘지 않는 느린 공으로 바꿉니다. 사이클을 계속하려면 외부에서 신선한 공이 필요합니다.
>>그렇다면 과학적 문제를 논의할 때... 당신의 환상을 조금 덜 믿으라고 권합니다.
그리고 똑똑하고 세련된 단어가 거기에 나온다고해서 어리석은 미신을 언급하지 않는 것이 좋습니다 ...답변
사실 완전히 닫힌 시스템은 자연계에 존재하지 않으며, 이것은 열역학 공식을 도출하기 위한 추상화입니다. 그리고 추론에서 우리는 의도하지 않게 개방형 시스템으로 이동하는 방법조차 알지 못합니다. 그리고 개방형 시스템에서 엔트로피는 Ilya Prigogine의 작업에서 다음과 같이 처리되어야 합니다. 하지만 지금은 그게 요점이 아닙니다.
Maxwell의 악마는 시스템이 용기 내부에 있더라도 시스템의 폐쇄를 깨뜨립니다.
첫째, 작업을 수행하기 위해 에너지 유입이 필요하고(배터리 충전 필요) 둘째, 이 로봇(데몬)에 내장된 정보도 OUTSIDE에서 제공됩니다. 즉, 에너지 교환이 있습니다. 그리고 외부 환경과의 정보.
그리고 이러한 조건 하에서 악마의 작업은 맥스웰에 따르면 분자가 속도에 따라 분포될 것이라는 문제에 대한 해결책을 제공할 수 있습니다. 하지만! 외부 합리적인 시작의 통제 영향 덕분입니다.
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분자가 아닌 브라운 운동에서 더 빠른 작은 입자를 통과시키는 기계적 Maxwell 악마를 생각해 낼 수 있습니다. 그런 다음 양자 역학과 열역학은 작동하지 않고 역학 만 작동하며 모든 것은 입자를 고정하고 문을 닫고 매체의 온도에 따라 달라지는 입자 자체의 속도에 대한 악마의 에너지 소비에 달려 있습니다.
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맥스웰의 이 정신 실험에서 열역학 법칙은 정말로 위배되지만(SELF-TRANSITION TO A MORE ORDERED STATE!) "밸브"를 열고 닫고 가열하는 비용 때문에 머리를 속일 필요는 없습니다. 이 멤브레인 다이오드를 사용할 수 있다고 가정합니다. 이것은 이론 물리학이 아니라 기술 문제입니다).
따라서 위에서 설명한 방식으로 분자를 분류하면 빠른 분자의 온도가 초기 분자보다 높지만 느린 분자의 온도는 비례적으로 낮습니다. 따라서 여기에서 시스템의 전체 주문은 아직 변경되지 않습니다("분류기" 비용 제외). 무시할 수 있다고 가정하십시오.
또한 예를 들어 빠른 분자의 에너지를 사용하여 작업을 수행함으로써 분자의 온도를 낮추고 결과적으로 전체 시스템의 전체 온도를 낮춥니다. 가스로 이러한 조작을 일정 횟수 수행하면 결국 절대 영도에 가까워지고 이런 식으로 에너지를 추출하는 과정이 불가능해집니다. (따라서 기사에서 말하는 영구 운동 기계의 종류가 명확하지 않습니다). 그래서 우리는 에너지를 추출하고 온도를 낮추고 질서를 약간 높였습니다. 이 시스템의 분자. (그들은 또한 가스의 양을 늘렸습니다 - 질서는 어떻습니까?).
이는 폐쇄형 시스템이 0으로 자체 냉각될 수 있음을 의미합니다("분류기"의 효율을 뺀 것과 동일한 양의 에너지를 할당하는 대가로). 더 질서 정연한 곳으로 이동? (및 부피?) 상태이며, 보다 질서 있는 상태로의 자체 전환은 열역학 제2법칙에 의해 허용되지 않습니다.
초기 조건을 만드는 데 필요한 에너지의 양은 냉각의 결과로 균등하게 방출되는 것 같습니다. 그러나 순서(외국인 엔트로피)는 변경되지 않았습니다. 단지 그대로, 다른 단위와 부피일 뿐입니다.
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>> 공정하게 말하면 먼저 명확하게 분리된 진공과 가스, 즉 시스템은 처음에 위치 에너지와 질서를 가졌습니다. 이 질서를 측정하는 방법은 무엇입니까?
모든 것이 훨씬 쉽습니다. 가스가 있는 곳의 압력은 0보다 높습니다. 진공이 있는 곳에 압력 = 0이 있습니다. 압력 차이는 위치 에너지입니다. 온도차도 위치 에너지입니다. 추출합니다. 무질서에 대해 걱정하지 마십시오. 우리는 냉각된 분자를 희생시키면서 일부 작업을 수행합니다. 이 엔트로피 작업은 팬들을 안심시키기에 충분할 것입니다.
>> 초기 조건을 만드는 데 필요한 에너지의 양은 냉각의 결과로 균등하게 방출되는 것 같습니다.
예,하지만 좋은 점은 우리가이 에너지를 소비하지 않았다는 것입니다 :) 예를 들어 상당히 에너지가 많은 분자를 포함하는 대기 공기를 취하고 차단막으로 나누고 온도 차이를 사용하여 차가운 공기를 다시 방출하면 - 무료입니다(무료는 "영원"을 의미하지 않습니다!) 엔진. 그리고 그 과정에서 기후의 냉각은 중앙 아프리카 국가들에게 타격을 주고 있습니다.답변
예, 나는 논쟁하지 않습니다. 분자는 어떤 원리에 따라 나눌 수 있습니다. 그러나 이것이 평형 조건(시스템의 온도에 대해 이야기할 수 있는 경우)에서 그들의 앙상블(빠르거나 느림)이 분포 함수에 따라 입자 사이의 속도를 재분배하지 않는다는 것을 의미하지는 않습니다. 그리고 다시 빠른 것이 있고 느린 것이 있을 것입니다. 그렇지 않으면 물질 상태의 다른 모델에 대해 이야기해야 합니다.
깔때기 - 의심의 여지가 없습니다. 그러나 제 생각에는 먼저 에너지 깔때기 인 열적 깔때기에 대해 이야기해야합니다. 기계적 깔때기는 아마도 물질 자체를 제외하고는 입자를 "조이게" 하지 않을 것입니다. 저것들. 예를 들어 미디어 간의 인터페이스에서와 같이 결정 론적 분포가 아니라 앙상블의 일부 "대표"에 대해 이야기하고 있음을 잊지 말아야합니다. 단일 입자가 속도를 갖는 것은 특성이 아닙니다. 이 속도가 측정되는 것과 관련하여 즉시 대답해야 합니다.
다시 한 번 작업의 아름다움에 대한 감탄을 표현하고 싶습니다. 그리고 그녀는 왜 결정하지 않습니까? 반드시 사실은 아니지만 내 솔루션이 괜찮다고 생각합니다.
답변
그러나 질문은 다르게 표현됩니다. "분자" 엔진은 온도에 의해 구동됩니다.
1. 분자의 엔진은 어디에 있습니까?
2. 온도가 같다면 왜 빠른 분자와 느린 분자가 있어야 합니까?
충돌 때문에. 타격, - 속도가 떨어졌습니다. 워밍업 - 속도가 빨라졌습니다.
음, 악마는 빠른 분자를 조립했습니다. 따라서 나머지 느린 것은 빠른 것의 속도로 가속되고 기울기는 사라집니다!
2. 사람이 한 방향으로 움직이도록 분자 "모터"를 배향시킬 수 있습니까?
예, 가스를 이온화하고 필드를 적용합니다.
3. 이외의 다른 가능성이 있습니까? 전자기장"방향"분자 모터?
적외선을 조사했을 때 분자의 움직임은 전자구름의 팽창으로 인해 발생했을 가능성이 높습니다. 그리고 가스 덩어리의 분자는 전자 구름을 "밀기"시작합니다. 이러한 "충격"은 아마도 분자 이동의 이유일 것입니다.
분자가 적거나 분자가 하나만 있으면 적외선 조사에서 전자 구름이 용기 벽에서 반발하기 시작합니다.
다른 고려 사항이 있습니까?
답변
조건부로 "가역성-비가역성" 문제라고 부를 수 있는 물리학의 문제가 있으며, 맥스웰의 악마에 대한 사고 실험은 가장 눈에 띄는 사례 중 하나에 불과합니다. 단일 예외를 제외하고 모든 물리적 법칙은 시간이 지남에 따라 되돌릴 수 있으며 Maxwell의 악마 구현 가능성은 모순되지 않습니다! 예외는 열역학 제2법칙으로, 다양한 공식이 있습니다. 그 중 가장 단순한 것은 열이 온도가 높은 물체에서 온도가 낮은 물체로 자발적으로 전달될 수 없다는 것입니다. Maxwell의 악마가 존재할 가능성은 이 법칙과 배타적으로 모순됩니다. 따라서 두 번째 원칙이 명시적으로나 암시적으로 사용되지 않는 맥스웰 악마의 불가능성을 증명하려는 모든 시도는 실패할 수밖에 없습니다. 제2법칙을 포함한 모든 물리 법칙은 실험 데이터의 일반화라는 점에 유의해야 합니다.
열역학, 통계 물리학, 양자 통계, 물리 역학에 대한 전문적인 이해가 있어야만 이러한 모든 문제를 진지하게 논의할 수 있습니다. 미래의 이론물리학자들은 주로 4학년 때 약 6학기 동안 이것을 공부한다. 전문가가 아닌 사람은 이 문제를 해결해서는 안 됩니다. 아무도 독립적으로 소행성의 궤도를 계산하거나 반도체의 전자 구조를 계산하려고 시도하지 않으며 이는 훨씬 쉽습니다.
전문가를 위한 몇 가지 참고 사항. 1) 일관된 방식으로 엔트로피는 평형 시스템에만 도입될 수 있는 반면, 두 번째 법칙은 기본적으로 비평형 과정을 말합니다. 2) 엔트로피의 통계적(통계 가중치를 통한) 정의와 열역학적(열 및 온도를 통한) 정의가 항상 일치하는 것은 아닙니다. 3) 엔트로피의 양자 역학(밀도 매트릭스를 통한) 정의에서 엄밀히 따지면 닫힌 시스템의 엔트로피는 변하지 않습니다. 일반적으로 여기에는 많은 질문이 있습니다.
답변
저자가 틀렸습니다. 역사는 진정으로 가치 있는 발견과 발명이 "비전문가"에 의해 이루어진다는 것을 암시합니다. 당신의 소위 전문가들은 얼간이와 아첨꾼들입니다. 맥스웰 악마는 오랫동안 존재해 왔습니다. 1931년에 발명된 이 장치는 Ranke-Hilsch 튜브라고 합니다. 와류를 사용하여 가스 또는 액체를 뜨거운 스트림과 차가운 스트림으로 분리할 수 있습니다. 또한 소용돌이를 생성하는 데 소비되는 에너지보다 훨씬 더 많은 열을 얻습니다.
답변
>>열은 온도가 높은 물체에서 온도가 낮은 물체로 자발적으로 이동할 수 없습니다. Maxwell 악마의 존재 가능성은이 법칙과 만 모순됩니다 .... 비전문가는이 문제를 해결해서는 안됩니다. 아무도 소행성의 궤도를 독립적으로 계산하거나 반도체의 전자 구조를 계산하려고 시도하지 않습니다. 쉽게.
비전문가는 어떤 일도 해서는 안 됩니다. 전문적인 솔루션이 필요한 일이라면 비용을 지불하고 무언가에 영향을 미칩니다. 하지만 당신의 직업적 능력과 관련이 없는 것에 대해 _그냥 무료 포럼에서 채팅하는 것_이 뭐가 잘못된 건가요? 여기있는 사람은 그가 무언가를 "결정"한다고 진지하게 생각하지 않을 것입니다 (아마도 기사의 저자 제외 ;-) 그리고 누군가는 소행성의 궤도도 계산한다고 생각합니다-다른 스레드에서만 :)))
두 번째 법칙과 관련하여-그러한 순간 : "한 신체에서 다른 신체로의 열 전달"을 "한 신체를 구성 요소 (우물 또는 두 신체)로 나누는 것"을 식별하는 것이 일반적으로 얼마나 정확합니까?답변
전적으로 동의합니다. 그건 그렇고, 그것은 옳을 것입니다. 열은 저온의 신체에서 고온의 신체로 자발적으로 이동할 수 없습니다. 두 번째 법칙의 정확한 공식은 W. Thomson과 M. Planck에 속합니다. 그러나 분자 차원의 다이오드, 즉 분자 다이오드를 생성할 수 있다면 사실상 Maxwell 악마가 존재합니다. 이러한 다이오드는 전자의 열 운동을 정렬된 것, 즉 전류로 변환할 수 있습니다. 저자에 따르면 전자의 열적 요동도 전류로 변환할 수 있는 최대 자외선 범위의 작동 주파수를 가진 그래디언트 터널 다이오드에 대한 특허도 있습니다. 이것은 우리의 악마입니다.
(할아버지 맥스웰처럼) 사고 실험을 해보자. 우리는 하나의 신체를 구성 요소로 나누지 않고 뚫을 수 없는 칸막이로 분리된 격리된 용기를 두 개의 저장소로 나눕니다. 더 차가운 탱크에서 우리는이 저수지의 빠르고 뜨거운 분자의 방사와 공명하도록 조정 된 나노 렉테나 어레이 (정류기가있는 안테나)를 배치하고 어레이를 악마의 브리지 회로와 연결하고-계속하십시오! 결과적으로 일정한 전류를 축적하여 더 뜨거운 저수지의 부하 (저항)로 보내고 승리를 위해 가열합니다 (또는 어떤 종류의 부하를 높입니다). 두 번째 법칙이 있습니다. 물론 이런 식으로 두 번째 종류의 영구 운동 기계를 만들 수는 없습니다. 첫 번째 저수지를 무한대로 냉각하는 것은 불가능하지만 두 번째 법칙에 대한 명백한 위반도 눈에 띄지 않습니까?답변
물론 이것은 "가난한 자에게서 빼앗아 부자에게 주라"( "역 로빈 후드 원칙"이라고 부름)라는 원칙이 이데올로기 적으로 우리 악마에 가깝지만 이것은 맥스웰의 악마가 아닙니다. :)
그런 다음 나는 무언가를 이해하지 못했습니다. 이 "나노렉텐"은 여전히 분자 나 전자를 통과시키는 것입니까? 분자라면 어떤 종류의 전류에 대해 이야기하고 있습니까? 그리고 전자 (음 또는 일반적으로 이온)라면 속도로 필터링하는 이유는 무엇입니까? 느린 전자도 전자이며 빠른 전자와 동일한 양의 전류를 제공합니다. 사실, 이것은 이미 전해질-가스 대신에 기존의 전해질 배터리와 같은 것으로 밝혀졌습니다 (왜?). 두 번째 (뜨거운) 저수지의 의미는 나에게 전혀 명확하지 않습니다.또한 (우리는 여전히 분자를 필터링하고 전하가 아닌 열을 전달하려고 시도한다는 사실에서 진행합니다). "격자[나노렉텐]을 악마의 브리지 회로와 연결" - 그래서 여기서 교정하는 사람은 누구입니까? 렉테나 또는 데몬? rectennas라면-악마가 필요한 이유는 무엇이며 그 반대도 마찬가지입니다. rectennas가 곧게 펴지면 악마는 각각에 앉아야하며 전체 격자에서 흐름을 곧게 펴기 위해 추가 다리가 필요하지 않으므로 개별 rectennas의 흐름 통합이 필요하지 않습니다. 즉, 멤브레인 (단순히 "장벽"과 "깔때기"가 "rectenna"라는 단어로 통합됨). 렉테나가 속도(양방향)로만 분자를 필터링하는 경우 이들은 더 이상 "렉테나"가 아니라 단순히 장벽이며 모든 가장 복잡한("깔때기")은 중앙에서 수행됩니다. 즉, 이것은 근본적인 차이가 아니라 건설적인 차이 일뿐입니다.
속도로 분자를 필터링하는 것은 그리 어려운 작업이 아닙니다. 예를 들어, 우리는 이온화된(예: +) 가스와 동일한 이름의 단분자 막을 충전합니다(구조적 강성을 위해 쉽게 침투할 수 있는 중성 프레임에 고정할 수 있음). 이러한 가스 분자만이 이 막을 통해 미끄러질 수 있으며, 그 운동 에너지는 쿨롱 반작용을 극복하기에 충분할 것입니다. 그것은 중요합니다 - 분자의 슬립(또는 리바운드)은 절대적으로 탄력적일 것입니다 - 분자가 막으로 가는 도중에 속도가 느려지는 한 - 분자가 리바운드할 때 같은 정도로 가속될 것입니다(같은 쪽 또는 다른 쪽에서) ). 필요한 kin.energy의 임계값은 멤브레인 셀의 크기와 전하를 선택하여 제어할 수 있습니다.
악마에게 요구될 수 있는 가장 어려운 것은 분자를 한 방향으로만 가게 하는 것입니다. 악마에게 이것을 가르치는 방법을 모르지만 기사의 움직임을 만들어이 작업에서 그를 구할 수 있습니다. 원칙적으로 막의 한쪽면에 원래 몸에서 나온 빠른 분자만 있는 것으로 충분합니다. 그들 중 일부는 날아갈 것이지만 일부는 남을 것입니다. 이미 좋습니다. 사용 방법?
이 역설은 오랫동안 해결되었습니다. 1929년 베를린 대학의 Privatdozent(이후 맨하탄 프로젝트의 가장 저명한 참여자 중 한 명)는 완벽하게 행동하는 악마라도 분자의 움직임에 대한 정보를 받을 때마다 자체 엔트로피가 증가한다는 것을 보여주었습니다. 악마와 가스가 하나의 전체를 형성하기 때문에 전체 시스템의 엔트로피는 변하지 않습니다. 운명은 때때로 이상한 방식으로 여행합니다. 쇠퇴기에 접어든 레오 실라드(Leo Szilard)는 미국 심장 전문의 앨빈 라이센(Alvin Reisen)의 치료를 받을 기회를 가졌습니다. 그에게는 어린 아들 마크가 있었는데, 그는 자라서 물리학자가 되었고 오스틴에 있는 텍사스 대학의 교수가 되었습니다. 안에 지난 몇 년그와 그의 동료들은 Maxwell의 악마와 유사한 레이저 장치를 사용하는 가스의 초고속 냉각을 위한 새로운 방법을 개발했습니다.
레이센 방식
수십 년 동안 물리학자들은 레이저 방사선의 도플러 흡수를 사용하여 가스를 마이크로켈빈의 온도로 가져왔습니다. 그러나 Reizen 교수는 이 방법이 자신에게 적합하지 않은 이유를 Popular Mechanics에 설명했습니다. 이러한 방식으로 개별 물질, 주로 알칼리 금속 증기만 냉각할 수 있습니다. 우리의 방법은 훨씬 더 다양합니다. 그것은 원자나 분자가 두 개의 수명이 긴 준안정 양자 상태에 있을 수 있는 모든 가스에 적용할 수 있습니다. 이 요구 사항을 충족하는 많은 물질이 있습니다.
용기의 칸막이에서 문을 지키는 고전적인 도깨비(왼쪽)와 레이젠 실험의 3단계 시스템 다이어그램(오른쪽). 자기 중력 트랩의 원자는 레이저(이 경우 악마)에 의한 광학 펌핑의 도움으로 중간 상태를 통해 상태 B에서 상태 A로 이동합니다.
Reizen의 그룹이 개발한 방법은 신뢰할 수 있는 기존 방법 중 하나를 사용하여 먼저 가스를 몇 밀리켈빈으로 냉각하고 두 개의 레이저로 유도되는 자기 트랩에 잠그는 것입니다. 하나의 레이저 빔은 중간에 있는 트랩의 공동을 가로지르고 다른 하나는 오른쪽 절반만 비춥니다.
"확실함을 위해 우리는 가스가 원자라고 가정할 것입니다."라고 Reisen 교수는 말합니다. 원자의 가능한 상태 중 하나를 파란색, 다른 하나를 빨간색이라고합시다. 방사가 적색 상태에 있는 원자를 밀어내도록 중앙 레이저를 조정해 보겠습니다. 두 번째 레이저는 원자를 파란색에서 빨간색으로 바꿉니다. 처음에 모든 원자가 파란색이라고 가정해 봅시다. 함정을 채우고 중앙 레이저를 켭니다. 적색 원자가 없기 때문에 방사선과 가스는 어떤 식으로든 상호 작용하지 않습니다. 이제 측면 레이저에 전류를 가해 보겠습니다. 방출된 광자를 만나는 각 원자는 파란색에서 빨간색으로 변합니다. 이러한 "재색상" 원자가 트랩의 중앙 평면에 접근하면 첫 번째 레이저 빔에 의해 뒤로 던져집니다. 결과적으로 빨간색 원자는 오른쪽 영역에 축적되고 왼쪽 영역은 비워집니다. 따라서 우리 쌍의 레이저는 Maxwell의 악마와 유사하게 작동합니다. 동시에 가스의 온도는 변하지 않고 압력은 자연스럽게 증가합니다.”
찬 가스, 뜨거운 방사선
그러나 냉각 효과는 어디에 있습니까? "이제" Reisen 교수는 설명을 계속합니다. "가스가 트랩의 전체 공동을 천천히 채우도록 중앙 레이저를 조작할 것입니다. 이 팽창은 가스를 냉각시킵니다. 사실 그게 전부입니다. 목표가 달성되었습니다. 이 이론은 이미 3년 전에 실험적으로 테스트되었습니다. 그런 다음 첫 번째 실험을 수행했습니다. 우리는 루비듐 증기를 천 번 냉각했습니다 (밀리켈빈에서 마이크로켈빈으로). 우리는 이 기술을 단일 광자 냉각이라고 부릅니다. 상태 간 전이를 위해서는 원자가 단 하나의 광자만 산란해야 하기 때문입니다. 그러나 도플러 방법은 많은 광자가 필요한 원자를 느리게 하여 가스를 냉각시킵니다.”
그러나 엔트로피는 어떻습니까? "그녀는 괜찮습니다." Reisen 교수가 우리를 안심시켰습니다. - 가스가 올바른 영역에 모이면 엔트로피가 자연스럽게 감소합니다. 그러나 레이저 복사 양자가 원자와 만나면 모든 방향으로 무질서하게 산란된다는 사실을 기억해 봅시다. 이 경우 방사선의 엔트로피가 증가하고 이러한 증가는 가스의 엔트로피 감소를 완전히 보상합니다. 따라서 레이저 악마는 Szilard의 이론에 따라 완전히 작동합니다. 물론 맥스웰 자신과 여러 세대의 물리학자들은 가스 입자를 미묘하게 조작할 수 있는 가능성을 믿지 않았습니다. 나 자신도 20년 전에는 이것을 순수한 허구라고 여겼을 것입니다. 그러나 과학은 종종 불가능해 보이는 목표를 달성합니다. 이것이 바로 그러한 경우입니다. 맥스웰이 우리 개발을 좋아했을 것 같아요.”