열역학 제2법칙을 위반하는 것이 가능합니까?
소설과 마찬가지로 과학에도 환상적인 인물이 있습니다. 아마도 그 중 대부분은 열역학 제2법칙을 논의하는 중에 발명되었을 것입니다. 그 중 가장 인기있는 것은 전자기장을 완전히 설명하는 유명한 Maxwell 방정식 시스템의 저자 인 James Clerk Maxwell이 발명 한 Maxwell의 악마였습니다. 열역학 제2법칙(또는 법칙)에는 많은 공식이 있지만 물리적 의미는 동일합니다. 고립된 시스템은 덜 질서 있는 상태에서 더 질서 있는 상태로 자발적으로 전환될 수 없습니다. 따라서 서로 다른 속도로 움직이는 분자로 구성된 가스는 자발적으로 두 부분으로 나눌 수 없습니다. 그 중 하나는 평균적으로 평균 통계 속도보다 빠르게 움직이는 분자이고 다른 하나는 더 느립니다.
많은 물리적 프로세스가 이 범주에 속합니다. 거꾸로 할 수 있는.예를 들어, 물은 얼 수 있고, 그 결과로 생긴 얼음은 다시 녹을 수 있으며, 우리는 같은 양과 상태의 물을 얻을 수 있습니다. 철은 자화되었다가 다시 자기화될 수 있습니다. 이 경우 프로세스의 시작점과 끝점에서 시스템의 엔트로피(순서의 정도)는 변하지 않습니다. 열역학적 의미에서 되돌릴 수 없는 프로세스(연소, 화학 반응 등)도 있습니다. 즉, 열역학 제2법칙에 따르면 모든 프로세스는 궁극적으로 시스템의 질서 정도를 유지하거나 감소시키는 것으로 이어집니다. 이러한 부조화적인 상황은 19세기 후반 물리학자들을 크게 당혹스럽게 만들었고, 그 후 맥스웰은 열역학 제2법칙을 우회하고 닫힌 계에서 혼돈의 꾸준한 성장을 역전시킬 수 있는 역설적인 해결책을 제안했습니다. 그는 다음과 같은 "사고 실험"을 제안했습니다. 가스 원자 크기의 문이 하나 있는 기밀 칸막이로 둘로 나누어진 밀봉된 용기를 상상해 보십시오. 실험 시작 시 용기 상부에는 기체가 들어있고, 하부에는 완전 진공이 들어있습니다.
이제 어떤 미세한 파수꾼이 문에 배정되어 분자를 주의 깊게 모니터링한다고 상상해 봅시다. 그는 빠른 분자를 위해 문을 열고 칸막이를 통해 용기의 아래쪽 절반으로 들어가고 느린 분자는 위쪽 절반에 남겨 둡니다. 그러한 미니 파수꾼이 문에서 충분히 오랫동안 근무하면 가스가 두 부분으로 나뉘는 것이 분명합니다. 위쪽에는 느린 분자로 구성된 차가운 가스가 있고 아래쪽에는 뜨거운 가스가 있습니다 빠른 분자가 축적됩니다. 따라서 시스템은 초기 상태와 비교하여 정렬되며 열역학 제2법칙을 위반하게 됩니다. 또한, 온도차를 이용하여 일을 구할 수도 있습니다( 센티미터.사이클과 카르노의 정리). 그러한 파수꾼이 영원히 근무하게 된다면(또는 교대가 조직되면) 우리는 영구 운동 기계를 갖게 될 것입니다.
과학자의 재치 있는 동료들에 의해 "맥스웰의 악마"라는 별명을 얻은 이 재미있는 파수꾼은 여전히 과학 민속 이야기에 살고 있으며 과학자들의 마음을 흥분시킵니다. 실제로 영구 운동 기계는 인류에게 해를 끼치지 않지만 여기에 문제가 있습니다. 분명히 맥스웰의 악마가 작동하려면 접근하는 분자를 조명하고 걸러내는 데 필요한 광자 유입 형태의 에너지 공급이 필요합니다. 또한, 분자를 선별할 때 악마와 문은 그들과 상호 작용할 수밖에 없으며, 그 결과 그들 자신이 분자로부터 꾸준히 열 에너지를 받고 엔트로피를 증가시켜 결과적으로 시스템의 전체 엔트로피가 증가합니다. 아직은 줄어들지 않을 겁니다. 즉, 이 설명을 통해 열역학 제2법칙에 대한 이론적 위협을 피할 수 있었지만 무조건 그런 것은 아닙니다.
진정으로 설득력 있는 최초의 반론은 양자역학이 탄생한 직후에 공식화되었습니다. 다가오는 분자를 분류하기 위해 악마는 속도를 측정해야 하지만 하이젠베르크의 불확정성 원리로 인해 이를 충분히 정확하게 수행할 수 없습니다. 또한 같은 원리로 인해 우주 공간에서 분자의 위치를 정확하게 파악할 수 없으며, 미세한 문을 열면 앞에 있는 분자 중 일부가 문을 놓치게 됩니다. 즉, 맥스웰의 악마는 자체 법칙에 따라 살아가는 소우주 중국 상점의 거시적 황소로 밝혀졌습니다. 악마를 양자 역학의 법칙에 일치시키면 가스 분자를 분류할 수 없으며 열역학 제2법칙에 대한 위협이 더 이상 발생하지 않습니다.
악마 파수꾼의 존재 가능성에 반대하는 또 다른 강력한 주장은 이미 컴퓨터 시대에 나타났습니다. Maxwell의 악마가 컴퓨터로 자동화된 문 열림 제어 시스템이라고 가정해 보겠습니다. 시스템은 접근하는 분자의 속도와 좌표에 대해 들어오는 정보를 비트 단위로 처리합니다. 분자를 통과하거나 거부한 후 시스템은 이전에 정렬된 정보를 재설정해야 합니다. 이는 분자를 통과하거나 거부할 때 가스 정렬의 결과로 엔트로피 감소와 동일한 양만큼 엔트로피가 증가하는 것과 같습니다. 컴퓨터 악마의 RAM에서 삭제되었습니다. 또한 컴퓨터 자체도 가열되므로 가스실과 자동 액세스 시스템으로 구성된 폐쇄 시스템의 모델에서는 엔트로피가 감소하지 않으며 열역학 제2법칙이 충족됩니다.
악마에게는 안타까운 일입니다. 그는 좋은 캐릭터였습니다.
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맥스웰의 악마의 불가능성에 대한 놀랍도록 무력한 설명입니다!
세계의 양자 불확실성에 대한 논쟁이 논쟁으로 사용됩니다! 결과적으로 저자는 기계 입자로만 구성된 모델 열역학 세계에서 악마의 존재가 불가능하다는 것에 대해 논쟁을 벌이지 않습니다. 결국, 세상이 기계적 입자로 구성되어 있다면 악마가 "뜨거워질 것"이라고 말하고 칸막이를 열지 여부를 결정하기 위해 입자를 "조명"해야 한다고 말하는 것은 의미가 없습니다.
기계 악마가 빛을 비추거나 입자와 상호작용할 필요가 없다는 단순한 생각은 교수에게 떠오르지 않았습니다. 악마는 용기에 있는 모든 입자의 초기 운동량과 좌표를 알고 있으므로 빠른 입자가 칸막이까지 날아가서 열리는 순간을 간단히 계산할 수 있습니다. 더욱이, 탄성 충돌 중에는 가열이 발생하지 않으므로 악마의 엔트로피는 증가하지 않습니다.
일반적으로 교수의 어려움과 현대 물리학의 모든 문제의 근원은 엔트로피에 대한 불분명한 개념입니다. 물리학자들은 이것이 객관적인 범주라고 주장하는 반면, 그 정의에는 "무질서", "무질서의 척도"라는 주관적인 개념이 포함됩니다. 장애에 대한 객관적인 척도는 없습니다.
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> 놀라운 무력함의 설명... 세계의 양자 불확실성에 대한 논쟁이 불러일으킵니다!
설명이 무력하다고 생각할 수도 있지만 그것이 정확하다는 사실은 변하지 않습니다. 맥스웰의 악마의 불가능성은 양자 불확실성과 직접적인 관련이 있습니다.
> 악마는 용기에 있는 모든 입자의 초기 충격과 좌표를 알고 있으므로 빠른 입자가 칸막이까지 날아가서 칸막이를 여는 순간을 간단히 계산할 수 있습니다.
마귀는 그런 것을 알 수 없습니다. 그리고 주된 이유여기에는 정확히 양자 불확실성이 있습니다. 그러나 그것 없이도 순전히 기계적인 세계에서는 수학 당구 이론에서 연구되는 궤적의 지수 발산 효과로 인해 분자 운동의 궤적을 정확하게 예측하는 것이 불가능한 것으로 나타났습니다. 초기 위치에 대한 지식의 임의의 작은 오류는 짧은 시간에 주어진 값을 초과합니다.
또 다른 이유가 있습니다. 악마가 분자의 모든 위치를 추적하려면 충분한 기억력이 있어야 하며 분자에 대한 영향의 결과에 따라 내용을 변경할 수 있어야 합니다. 기억은 물리적 장치이며 엔트로피를 가지고 있습니다. 계산에 따르면 이 메모리에 의해 축적된 엔트로피는 가스 감소를 보상(또는 초과)합니다. (모든 계산은 1980년대 "In the World of Science" 저널의 기사 중 하나에 제공되었지만 지금은 링크를 제공할 수 없습니다.)
> 일반적으로 교수님의 어려움과 모든 현대 물리학의 근본 원인은 엔트로피에 대한 불분명한 개념입니다.
엔트로피는 실제로 복잡한 개념이지만 이 특정 문제에서는 모든 것이 명확합니다.
> 물리학자들은 이것이 객관적인 범주라고 주장하는 반면, 그 정의에는 "장애", "장애의 척도"라는 주관적인 개념이 포함됩니다.
당신은 잘못. 엔트로피의 _정의_에는 "무질서"라는 개념이 포함되지 않습니다. 이 개념은 대중적이므로 비유적이고 부정확한 설명에만 사용됩니다. 엔트로피의 공식적인 정의(그런데 많은 것들이 있음)에는 이와 같은 내용이 포함되어 있지 않습니다. 예를 들어, 물리학에서 가장 널리 사용되는 두 가지 정의는 다음과 같습니다.
엔트로피는 연구 중인 시스템이 위치한 하나의 거시상태를 실현하는 미시상태 수의 로그에 비례하는 양입니다(S = k*ln(W)).
엔트로피 이득은 시스템이 받은 에너지를 시스템 온도로 나눈 값입니다(dS = dQ/T).
예를 들어 http://www.cultinfo.ru/fulltext/1/001/008/126/734.htm에서 이에 대한 자세한 내용을 읽을 수 있습니다. 이 다소 큰 백과사전적 기사에서 "무질서의 척도"는 단 한 번 언급되었으며 이는 방정식 S = k*ln(W)에 대한 설명이었습니다.
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>> 맥스웰의 악마의 불가능성은 양자 불확실성과 직접적인 관련이 있습니다.... 악마는 그런 것을 알 수 없습니다. 그리고 여기서 주된 이유는 바로 양자 불확실성입니다. 악마가 분자의 모든 위치를 추적하려면 충분한 기억력이 있어야 하며 분자에 대한 영향의 결과에 따라 내용을 변경할 수 있어야 합니다. 기억은 물리적 장치이며 엔트로피를 가지고 있습니다.
ㅋ. 하하하. 그리고 악마도 이 문을 열고 닫으려면 팔과 다리가 필요합니다. 그리고 먹어야 하는데... 아직도 이 수수께끼가 엔트로피, 양자 불확실성... 악마의 기억(!!!) 같은 영리한 단어를 사용하여 이런 저속한 변명으로 풀리고 있다는 것이 정말 가능할까요?
악마는 없습니다. 튀는 공으로 가득 찬 방을 상상해 봅시다. 이상적으로는 탄성이 있고 마찰을 받지 않습니다(기체 분자에 대한 허용 가능한 기계적 비유). 방의 한쪽에는 어느 정도 높이의 장벽으로 막힌 개구부가 있습니다. 이 장벽 위로 튀는 공은 결국 방에서 다음 방으로 날아가고, 첫 번째 방에서는 느리게 튀는 공만 남게 됩니다. 장벽에는 메모리나 에너지, 광자, 뮤온, 보존 또는 싱크로파소트론이 필요합니까? 그는 일종의 엔트로피를 계산하거나 아스트랄 힘을 끌어당겨야 합니까? "빠른 공은 다음 방에서 돌아올 것이다"라는 주제에 대한 시도를 즉시 중단하기 위해 두 번째 방에 공이 세 번째 방으로 날아가는 깔때기를 만들어 공이 다시 날아 가기 어렵게 만듭니다.
전자 제품에서 장벽 효과(손실(!) 없이 특정 값 이상의 에너지를 가진 전자는 장벽을 통과하고, 장벽이 없는 전자는 통과하지 못하지만 에너지도 잃지 않음)는 오랫동안 알려져 왔으며 널리 사용됩니다. 일반적인 개발을 위해 Google을 살펴보세요.
이 공과 그에 따른 Maxwellian 혈관의 "역설"은 매우 간단하게 해결됩니다. 공을 정렬한다는 사실 자체가 작동하지 않습니다. 일은 패스트볼에서 에너지를 사용하는 것입니다. 그리고 공의 에너지를 한 번 사용 (제거) 한 후에는 공을 느린 에너지로 전환하여 더 이상 장벽을 뛰어 넘지 않습니다. 주기를 계속하려면 외부에서 신선한 공이 필요합니다.
>>그렇다면 과학적 문제를 논의할 때... 자신의 환상을 조금 덜 신뢰하는 것이 좋습니다.
그리고 단지 똑똑하고 유행하는 단어가 포함되어 있다고 해서 어리석은 미신을 언급하지 말 것을 권한다...답변
실제로 완전히 닫힌 계는 자연계에 존재하지 않으며, 이는 열역학적 공식을 유도하기 위한 추상화이다. 그리고 우리의 추론에서 우리는 의도치 않게 개방형 시스템으로 어떻게 이동하는지조차 알아차리지 못합니다. 그리고 개방계에서 엔트로피는 Ilya Prigogine의 연구에서 다음과 같이 처리되어야 합니다. 하지만 지금은 그게 요점이 아닙니다.
Maxwell의 악마는 시스템이 용기 내부에 있더라도 시스템의 폐쇄성을 깨뜨립니다.
첫째, 작업을 수행하려면 에너지 유입이 필요하고(배터리를 충전해야 함) 둘째, 이 로봇(악마)에 내장된 정보도 외부로 제공됩니다. 외부 환경과 관련된 정보.
그리고 이러한 조건에서 악마의 작업은 Maxwell에 따르면 문제에 대한 해결책을 제공할 수 있습니다. 즉, 분자는 속도에 따라 분포됩니다. 하지만! 외부 지능 원리의 통제적 영향력 덕분입니다.
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분자가 아닌 브라운 운동의 더 빠른 작은 입자를 통과시키는 기계적 맥스웰 악마를 생각해 낼 수 있습니다. 그러면 양자역학과 열역학은 작동하지 않고 역학만 작동하며 모든 것은 입자를 고정하고 문을 닫는 악마의 에너지 소비와 환경 온도에 따라 달라지는 입자 자체의 속도에 달려 있습니다.
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맥스웰의 이 정신적 실험에서 열역학 법칙은 실제로 위반되었지만(보다 질서 있는 상태로의 자체 전환!), "밸브"를 열고 닫고 가열하는 데 드는 비용 때문에 머리를 속일 필요는 없습니다. 이 멤브레인 다이오드가 있다고 가정해 보겠습니다. 이는 기술의 문제이지 이론 물리학의 문제는 아닙니다.
따라서 위에서 설명한 방식으로 분자를 분류하면 빠른 분자의 온도는 초기 분자의 온도보다 높지만 느린 분자의 온도는 비례적으로 낮습니다. 결과적으로 시스템의 전반적인 질서는 아직 변경되지 않습니다("분류기" 비용은 계산하지 않음). 그들이 무시할 수 있다고 가정 해 봅시다.
또한, 예를 들어 작업을 수행하기 위해 빠른 분자의 에너지를 사용함으로써 우리는 온도를 낮추고 전체 시스템의 전체 온도를 낮출 수 있습니다. 가스를 사용하여 이러한 조작을 특정 횟수만큼 수행하면 결국 절대 영도에 가까워지고 이러한 방식으로 에너지를 추출하는 과정이 불가능해집니다. (그래서 우리가 기사에서 어떤 종류의 영구 운동 기계에 대해 이야기하고 있는지 명확하지 않습니다.) 그럼 에너지를 추출하고, 온도를 낮추고, 질서를 대폭 늘렸다는 건가요? 이 시스템의 분자. (그들은 또한 가스의 양을 늘렸습니다. 질서정연함에 무슨 문제가 있습니까?)
이는 폐쇄형 시스템이 0으로 자체 냉각될 수 있음을 의미합니다("분류기"의 효율성을 뺀 동일한 양의 에너지를 방출하는 대가로). 좀 더 질서정연한 쪽으로 옮겨가나요? (및 부피?) 상태이며, 더 질서 있는 상태로의 자체 전환은 열역학 제2법칙에 의해 허용되지 않습니다.
초기 조건을 만드는 데 필요한 에너지의 양이 냉각 결과 균등하게 방출된 것 같습니다. 그러나 질서(외래어로 엔트로피)는 변하지 않았습니다. 단지 단위와 부피만 다른 것 같습니다.
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>>공평하게 말하면 먼저 명확하게 분리된 진공과 가스를 만드는 데 돈(에너지)을 소비해야 한다고 해야 합니다. 시스템은 초기에 잠재적인 에너지와 질서를 갖고 있었습니다. (가스와 진공이 있는 명확한 영역) 결과적으로 모든 곳에 가스가 있지만 차갑고 부피가 더 큽니다. 그리고 이 질서를 측정하는 방법은 무엇입니까?
모든 것이 훨씬 간단합니다. 가스가 있는 곳에서는 압력이 0보다 높습니다. 진공이 있으면 압력 = 0이 됩니다. 압력 차이는 위치 에너지입니다. 온도차도 위치에너지이다. 우리는 그것들을 추출합니다. 그리고 장애에 대해 걱정하지 마십시오. 우리는 냉각된 분자를 희생하여 일부 작업을 수행합니다. 이 작업은 팬들을 안심시킬 만큼 충분한 엔트로피를 생성할 것입니다.
>>초기 조건을 만드는 데 필요한 에너지량이 냉각 결과 균등하게 방출된 것 같습니다.
예, 하지만 좋은 점은 이 에너지를 소비한 사람이 우리가 아니었다는 것입니다 :) 예를 들어, 우리가 단순히 상당히 에너지가 풍부한 분자 덩어리를 포함하는 대기 공기를 취하고 이를 차단막으로 나누고 온도 차이를 사용하여 차갑게 방출한다고 가정해 보겠습니다. 에어백 - 무료입니다(무료는 "영원한"을 의미하지 않습니다!) 엔진입니다. 동시에 기후 냉각은 중앙아프리카 국가들에게 큰 타격을 주고 있습니다.답변
예, 논쟁하지 않습니다. 분자는 어떤 원리에 따라 나누어질 수 있습니다. 그러나 이것이 평형 조건(시스템의 온도에 대해 이야기할 수 있는 경우)에서 그들의 앙상블(빠르거나 느린)이 분포 함수에 따라 입자 간의 속도를 재분배하지 않는다는 의미는 아닙니다. 그리고 다시 빠른 것이 있을 것이고 느린 것이 있을 것입니다. 그렇지 않으면 물질 상태에 대한 다른 모델에 대해 이야기해야 합니다.
깔때기 - 의심의 여지없이 흥미로울 것입니다. 그러나 제 생각에는 우선 에너지 깔때기, 즉 열 깔때기에 대해 이야기해야합니다. 기계적 깔때기는 아마도 물질 자체를 제외하고는 입자를 "흡입"할 가능성이 없습니다. 저것들. 예를 들어 미디어 간 인터페이스에서와 같이 결정론적 분포가 아니라 앙상블의 일부 "대표자"에 대해 이야기하고 있다는 점을 잊어서는 안됩니다. 개별 입자가 속도를 갖는 것은 특징이 아닙니다. 이 속도가 측정되는 것과 관련하여 즉시 대답해야 합니다.
다시 한 번 이 작업의 아름다움에 대한 기쁨을 표현하고 싶습니다. 그리고 왜 해결이 안되나요? 나는 내 해결책이 반드시 사실은 아니지만 매우 적합하다고 생각합니다.
답변
그러나 질문은 다소 다르게 공식화됩니다. "분자" 엔진은 온도에 의해 구동됩니다.
1. 분자의 엔진은 어디에 있습니까?
2. 온도가 같다면 왜 빠른 분자와 느린 분자가 있어야 합니까?
충돌 때문에. 충격 - 속도가 떨어졌습니다. 워밍업 - 속도가 증가했습니다.
음, 악마는 빠른 분자를 수집했습니다. 그러면 나머지 느린 것들은 빠른 것의 속도로 가속되고 그라데이션은 사라질 것입니다!
2. 사람이 분자 "모터"를 한 방향으로 움직일 수 있습니까?
예, 가스를 이온화하고 여기에 장을 적용하면 됩니다.
3. 그 외에 다른 가능성은 없나요? 전자기장"방향" 분자 모터?
아마도 적외선을 조사할 때 분자의 움직임은 전자 구름의 팽창으로 인해 발생하는 것 같습니다. 그리고 가스 덩어리의 분자는 전자 구름에 의해 "밀어지기" 시작합니다. 이러한 "충격"은 아마도 분자 이동의 이유일 것입니다.
분자가 적거나 분자가 하나만 있으면 적외선 조사 중에 전자 구름이 용기 벽에서 반발되기 시작합니다.
다른 고려사항이 있나요?
답변
물리학에는 대략 "가역성-비가역성" 문제라고 부를 수 있는 문제가 있으며, 맥스웰의 악마를 사용한 사고 실험은 가장 눈에 띄는 예시 중 하나일 뿐입니다. 한 가지 예외를 제외하고 모든 물리적 법칙은 시간을 되돌릴 수 있으며 맥스웰의 악마를 실현할 가능성은 그 법칙과 모순되지 않습니다! 예외는 다양한 공식이 있는 열역학 제2법칙입니다. 그 중 가장 간단한 것은 열이 더 높은 온도의 물체에서 더 낮은 온도의 물체로 자발적으로 전달될 수 없다는 것입니다. 맥스웰의 악마가 존재할 가능성은 전적으로 이 법칙과 모순됩니다. 따라서 제2법칙을 명시적으로든 묵시적으로든 사용하지 않는 맥스웰의 악마의 불가능성을 증명하려는 모든 시도는 실패할 수밖에 없습니다. 제2법칙을 포함한 모든 물리 법칙은 실험 데이터의 일반화라는 점에 유의해야 합니다.
이러한 모든 문제는 열역학, 통계 물리학, 양자 통계 및 물리적 동역학에 대한 전문적인 이해가 있어야만 진지하게 논의될 수 있습니다. 미래의 이론물리학자들은 주로 학부 시절 약 6학기 동안 이 문제를 연구합니다. 비전문가는 이 문제에 대한 해결책을 취해서는 안 됩니다. 아무도 소행성의 궤도를 독립적으로 계산하거나 반도체의 전자 구조를 계산하려고 시도하지 않으며 이는 훨씬 간단합니다.
전문가를 위한 몇 가지 참고사항. 1) 엔트로피는 평형계에서만 일관된 방식으로 도입될 수 있는 반면, 제2법칙은 근본적으로 비평형 과정을 말합니다. 2) 엔트로피의 통계적(통계적 가중치를 통한) 정의와 열역학적(열 및 온도를 통한) 정의는 항상 일치합니다. 3) (밀도 행렬을 통한) 양자 역학적 엔트로피 정의로부터 닫힌 계의 엔트로피는 변하지 않고 유지된다는 것이 엄격히 따릅니다. 일반적으로 여기에는 많은 질문이 있습니다.
답변
저자가 틀렸다. 역사는 진정으로 가치 있는 발견과 발명이 '비전문가'에 의해 이루어졌음을 암시합니다. 소위 전문가라고 불리는 사람들은 바보이자 아첨꾼입니다. 맥스웰의 악마는 오랫동안 존재해 왔습니다. 1931년에 발명된 이 장치를 Ranke-Hilsch 관이라고 합니다. 소용돌이를 사용하여 가스나 액체를 뜨거운 흐름과 차가운 흐름으로 분리할 수 있습니다. 더욱이 소용돌이를 생성하는 데 소비되는 에너지보다 훨씬 더 많은 열이 얻어집니다.
답변
>>열은 더 높은 온도의 물체에서 더 낮은 온도의 물체로 자발적으로 전달될 수 없습니다. 맥스웰의 악마가 존재할 가능성은 전적으로 이 법칙과 모순됩니다.... 비전문가가 이 문제에 대한 해결책을 맡아서는 안 됩니다. 아무도 소행성의 궤도를 독립적으로 계산하거나 반도체의 전자 구조를 계산하려고 시도하지 않습니다. 훨씬 간단합니다.
비전문가는 어떤 일도 맡아서는 안 됩니다. 전문적인 솔루션이 필요한 경우 비용이 지불되고 무언가에 영향을 미칩니다. 하지만 귀하의 전문적 능력과 관련되지 않은 것에 대해 _그냥 무료 포럼에서 대화하는_ 것이 뭐가 문제인가요? 여기에 있는 사람 중 누구도 자신이 무언가를 "해결"하고 있다고 진지하게 생각하지 않을 것입니다. (아마도 기사의 저자는 제외;-) 그리고 누군가가 소행성의 궤도도 계산하고 있다고 생각합니다. 단지 다른 스레드에서 :)))
제2법칙과 관련하여 다음과 같은 점이 있습니다. “한 몸체에서 다른 몸체로의 열 전달”을 “한 몸체를 구성 요소(또는 두 몸체)로 나누는 것”으로 식별하는 것이 얼마나 일반적으로 올바른가요?답변
나는 당신에게 전적으로 동의합니다. 그건 그렇고, 그것은 정확할 것입니다. 열은 낮은 온도의 몸체에서 더 높은 온도의 몸체로 자발적으로 전달될 수 없습니다. 제2법칙의 정확한 공식은 W. Thomson과 M. Planck의 것입니다. "자연에서는 열 저장소를 냉각하고 하중을 등가적으로 들어올리는 것만으로 전체 효과가 이루어지는 프로세스는 불가능합니다." 그러나 본질적으로 분자 차원의 다이오드, 분자 다이오드를 만드는 것이 가능하다면 Maxwell의 악마가 존재합니다. 이러한 다이오드는 전자의 열 이동을 규칙적인 이동, 즉 전류로 변환할 수 있습니다. 저자에 따르면 전자의 열적 변동도 전류로 변환할 수 있는 최대 자외선 범위까지 작동 주파수를 갖는 경사 터널 다이오드에 대한 특허도 있습니다. 이것은 우리의 악마입니다.
(맥스웰 할아버지처럼) 사고 실험을 시작해 봅시다. 우리는 하나의 몸체를 구성 요소로 나누지 않고, 뚫을 수 없는 칸막이로 나누어진 단열 용기를 두 개의 저장소로 가져갈 것입니다. 더 차가운 저장소에 우리는 이 저장소의 빠르고 뜨거운 분자의 방사선과 공진하도록 조정된 나노렉테나 배열(렉테나는 정류기가 있는 안테나)을 배치하고 배열을 악마의 브리지 회로와 연결하고 계속 진행합니다! 우리는 결과적으로 일정한 전류를 축적하여 더 뜨거운 탱크의 부하(저항)로 보내고 가열하여 승리합니다(또는 일종의 부하를 들어 올립니다). 두 번째 법칙은 정지되어 있습니다. 물론 두 번째 종류의 영구 운동 기계는 첫 번째 저장소를 무한정 냉각하는 것이 불가능하기 때문에 이런 방식으로 만들 수 없지만 두 번째 법칙에 대한 명백한 위반이 눈에 띄지 않습니까?답변
물론 이것은 정확히 맥스웰의 악마는 아니지만 "가난한 사람에게서 빼앗아 부자에게 준다"( "역 로빈 후드 원칙"이라고 부르 자) 원칙은 이념적으로 우리 악마에 가깝습니다. :)
그리고 여기서 저는 뭔가를 잘 이해하지 못했습니다. 이 "나노렉테나"는 분자나 전자가 통과하도록 허용합니까? 분자라면 어떤 종류의 전류에 대해 이야기하고 있습니까? 그리고 그것이 전자(또는 일반적으로 이온)라면 속도에 따라 필터링하는 것이 무슨 의미가 있습니까? 느린 전자도 전자이고 빠른 전자와 동일한 양의 전류를 생성합니다. 사실, 이것은 이미 일반 전해질 배터리와 같은 것으로 밝혀졌으며 전해질 대신 가스가 있습니다 (왜?). 두 번째 (뜨거운) 탱크의 의미는 전혀 명확하지 않습니다.또한 (결국 분자를 필터링하고 전하가 아닌 열을 전달하려고 한다는 사실에서 출발합니다). "우리는 격자[나노렉텐]를 악마의 브리지 회로와 연결합니다" - 그렇다면 여기서 수정하는 사람은 누구입니까? Rectennas 또는 악마? 렉테나라면 악마가 필요한 이유는 무엇이며 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 렉테나가 곧게 펴지면 악마는 그 각각에 앉아 있어야 하며 전체 격자의 흐름을 직선화하는 추가 브리지가 필요하지 않습니다. 따라서 개별 렉테나의 흐름을 통합할 필요가 없습니다. 멤브레인에 (단순히 "장벽"과 "깔때기"가 "렉테나"라는 단어와 결합됨). 렉테나가 속도(양방향)로만 분자를 필터링하는 경우 이는 더 이상 "렉테나"가 아니라 단순한 장벽이며 가장 복잡한 모든 작업("깔때기")이 중앙에서 수행됩니다. 즉, 이는 단지 건설적인 차이일 뿐 근본적인 차이는 아닙니다.
속도에 따라 분자를 필터링하는 것은 그리 어려운 작업이 아닙니다. 예를 들어, 이온화된(say+) 가스와 유사하게 전하를 띤 단분자 막을 사용합니다(구조적 강성을 위해 쉽게 투과할 수 있는 중성 프레임에 부착할 수 있음). 쿨롱 반응을 극복하기에 충분한 운동 에너지를 가진 가스 분자만이 이 막을 통과할 수 있습니다. 분자의 돌파(또는 반동)가 절대적으로 탄력적이어야 한다는 것이 중요합니다. 즉, 분자가 막에 접근할 때 속도가 느려지는 정도, 반동 시(동일한 쪽 또는 다른 쪽에서) 가속되는 정도와 같은 정도입니다. 필요한 운동 에너지의 임계값은 막 셀의 크기와 그 위의 전하를 선택하여 조정할 수 있습니다.
악마에게 요구되는 가장 어려운 일은 분자를 한 방향으로만 보내는 것입니다. 나는 악마에게 이것을 어떻게 가르치는지 모르지만 기사의 움직임을 만들어 이 일에서 그를 구할 수 있습니다. 원칙적으로, 막의 한쪽에는 원래 몸체의 빠른 분자만 있다는 것이 보장되는 것으로 충분합니다. 그들 중 일부는 다시 날아갈 것이지만 일부는 남아있을 것입니다. 이미 좋아요. 사용 방법?
— 열역학 제2법칙을 테스트하려는 사고 실험이 중앙대학교와 도쿄대학교의 물리학자들에 의해 성공적으로 구현되었습니다.
일본인들은 각각 직경이 0.3 마이크로미터인 두 개의 접착된 폴리스티렌 볼을 만들었습니다. 하나는 유리 표면에 있었고 두 번째는 첫 번째 주위를 회전할 수 있었습니다. 설비에 액체가 채워졌습니다. 그 분자는 자연스럽게 공을 무작위로 밀어냈습니다(브라운 운동). 동등한 확률시계 방향과 시계 반대 방향 모두.
일본 물리학자들은 피드백 시스템이 정보를 에너지로 변환하는 새로운 유형의 기계를 나타낼 수 있다고 말합니다. 이론적으로 미래에는 이러한 장치가 마이크로머신의 브라운 운동을 통해 구동될 수 있습니다.
그림은 실험의 개략도를 보여줍니다. 여기서 회전하는 로터의 위치는 계단을 무작위로 뛰어오르는 공으로 대체됩니다. 공이 튀어 오르면 Maxwell의 영리한 악마는 공이 다시 굴러가는 것을 방지하기 위해 장벽을 세웁니다. 이 경우, "악마" 자체는 공을 밀지 않습니다(그림: Mabuchi Design Office/Yuki Akimoto).
다음으로 저자는 약한 전기장을 추가하여 토크를 생성했습니다. 이는 공이 "올라갈" 수 있는 사다리와 유사하여 위치 에너지를 증가시킵니다. 때로는 분자가 자기장의 작용에 반대하여 로터를 밀기도 하고(상승), 때로는 자기장 쪽으로(계단을 뛰어내리기도) 합니다. 그러나 일반적으로 로터는 외부 자기장이 밀리는 곳에서 회전했습니다.
그러나 물리학자들은 공을 관찰하는 고속 카메라와 필드를 제어하는 컴퓨터라는 "악마"를 추가했습니다. 로터가 브라운 운동으로 필드를 향해 한 발짝 내딛을 때마다 컴퓨터는 공이 회전할 수 있도록 후자를 이동시켰지만 로터가 뒤로 회전하려고 하면 필드가 공을 막았습니다.
이것이 맥스웰의 악마가 열고 닫는 문과 유사한 것이 만들어진 방법입니다. 로터는 분자의 열 운동으로 인해 에너지를 증가시켰습니다.
그러나 "악마"(카메라, 전압 보정 시스템)의 작동에는 에너지가 필요하므로 설치는 자연 법칙을 위반하지 않습니다. 그러나 일본인은 강조합니다. 이 실험은 실제로 1929년 Leo Szilard가 이론적으로 입증한 Maxwell의 악마인 열 펌프의 현실을 입증했습니다. 이러한 기계는 등온에서 에너지를 추출합니다. 환경그리고 그것을 일로 변환합니다.
일반원리열 펌프 – Maxwell의 악마(“Szilard 엔진”). 거시적 시스템(컴퓨터)은 이에 대한 정보를 수신하여 미시적 시스템(실제로는 로터와 필드이지만 조건부로 분자와 파티션이 있는 방)의 이벤트를 제어합니다. 미시적 시스템의 에너지는 증가하지만(유용한 작업을 생성할 수 있음), "악마"가 정보를 얻고 동작을 제어하기 위해 에너지를 소비하기 때문에 완전히 자유롭지는 않습니다(그림: Shoichi Toyabe, Eiro Muneyuki, Masaki Sano/Nature Physics).
MIPT의 양자 정보 이론 연구소와 L.D.의 이름을 딴 이론 물리학 연구소의 수석 연구원이 답변했습니다. Landau RAS Gordey Lesovik:
— 열역학 제2법칙의 공식 중 하나에 따르면 열은 뜨거운 물체에서 차가운 물체로 이동합니다. 이는 일반적이고 이해할 수 있는 현상입니다. 그러나 Maxwell의 Demon을 폐쇄형 시스템에 실행하면(시스템의 질서 정도가 증가한다고 믿어짐) 원하는 경우 사물의 자연스러운 질서를 방해하고 무질서를 제거할 수 있습니다. 이는 고에너지 원자나 분자를 반영하고 흐름을 변경하여 시스템 내에서 완전히 다른 프로세스를 시작합니다. 우리의 양자 장치를 사용하여 유사한 프로세스를 수행할 수 있습니다.
맥스웰의 악마의 도식적 표현. 사진: Commons.wikimedia.org
우리는 일반적으로 양자역학이 매우 고전적인 열역학 법칙을 정확하게 보장하고 사물의 자연적 질서를 보장하지만, 이 과정을 방해할 수 있는 조건을 인위적으로 만드는 것이 가능하다는 것을 보여주었습니다. 즉, 이제 Maxwell의 Quantum Demon, 즉 인공 원자(보통 큐비트, 즉 양자 비트라고 함)는 열이 차가운 물체에서 뜨거운 물체로 전달되고 그 반대의 경우가 되지 않도록 할 수 있습니다. . 이것이 우리 작업의 주요 뉴스입니다.
가까운 미래에 자연 열 흐름을 실험적으로 역전시키는 양자 냉장고를 만들 계획입니다. 동시에, 우리의 슈퍼냉장고는 변형 자체에 에너지를 소비할 수 없지만 (어떤 의미에서는) 변형으로부터 몇 미터 떨어진 곳에 있는 소스에서 에너지를 추출합니다. 이러한 관점에서 우리의 양자 냉장고는 (국지적으로) 절대적으로 에너지 효율적일 것입니다. 오해를 피하기 위해 원격 에너지원을 고려할 때 열역학 제2법칙의 타당성이 회복되고 세계 질서 전체가 붕괴되지 않는다는 점을 강조하는 것이 중요합니다.
Maxwell의 Quantum Demon의 적용 범위와 관련하여, 즉 우리 장치라면 우선 이것은 양자역학 분야입니다. 예를 들어 일반 컴퓨터는 작동 중에 종종 뜨거워지고 양자 장치에서도 동일한 일이 발생하며 이러한 프로세스는 정상적인 작동에 훨씬 더 중요합니다. 우리는 그것들이나 일부 개별 마이크로칩을 냉각할 수 있을 것입니다. 이제 우리는 이를 거의 100% 효율성으로 수행하는 방법을 배우고 있습니다.
그리고 물론 그러한 실험을 통해 미래에는 두 번째 유형의 영구 운동 기계를 만드는 것에 대해 이야기할 수 있게 될 것입니다. 배터리가 필요하지 않으며 엔진은 가장 가까운 열 저장소에서 에너지를 추출하여 일부 나노 장치를 이동하는 데 사용할 수 있습니다.
두 번째 종류의 영구 운동 기계는 운동할 때 주변 물체에서 추출된 모든 열을 일로 변환하는 기계입니다. 열역학 법칙에 따르면 이는 여전히 실현 불가능한 아이디어로 간주됩니다.
핀란드, 러시아, 미국의 물리학자들이 맥스웰의 자율 전자 악마를 개척했습니다. 저자들은 연구 결과를 Physical Review Letters 저널에 게재했습니다. Maxwell의 악마는 무엇이며 어떻게 컴퓨터 작동을 방해할 수 있다고 Lenta.ru는 말합니다.
맥스웰의 악마를 둘러싼 음모는 150년 동안 과학계에서 지속되어 왔습니다. 초자연적 존재의 개념은 1867년 영국의 물리학자 제임스 클러크 맥스웰(James Clerk Maxwell)에 의해 제안되었습니다. 우리는 자연의 가장 기본적인 법칙 중 하나인 열역학 제2법칙을 (분명히) 위반하는 방식으로 작동하는 특정 장치에 대해 이야기하고 있습니다.
사고 실험에서 Maxwell은 닫힌 가스 실린더를 가져와 작은 해치가 있는 내부 벽이 있는 두 부분으로 나누었습니다. 해치를 열고 닫음으로써 Maxwell의 악마는 빠른(뜨거운) 입자와 느린(차가운) 입자를 분리합니다. 결과적으로 실린더에 온도 차이가 발생하고 열이 더 차가운 가스에서 더 뜨거운 가스로 전달되는데, 이는 열역학 제2법칙에 위배되는 것처럼 보입니다.
열역학 제2법칙은 물리적 과정의 방향을 결정합니다. 특히, 독일의 물리학자 루돌프 클라우지우스(Rudolf Clausius)가 보여주었듯이, 더 차가운 물체에서 더 뜨거운 물체로 열이 자발적으로 전달되는 것(즉, 일을 하지 않고), 즉 엔트로피의 감소(같은 말)는 불가능합니다. 무질서 측정) 고립된 시스템의. 프랑스인 Sadi Carnot의 공식화에서 이 법칙은 다음과 같이 들립니다. 계수가 있는 열 엔진 유용한 행동백퍼센트 불가능해요.
열역학 제2법칙은 19세기에 마침내 공식화되었습니다. 그런 다음 그것은 여러 가지 특별한 경우에 대한 법률이었습니다(그 근본적인 성격은 나중에 더 명확해졌습니다). 물리학자들은 그 모순을 찾았고, 그 중 하나(우주의 열적 죽음과 함께)는 Maxwell이 그의 동료 Peter Tate에게 보낸 편지에서 제시되었습니다.
역설은 즉시 과학자와 과학 애호가들의 관심을 끌었습니다. 20세기에는 맥스웰의 악마의 명성이 슈뢰딩거의 고양이(또는 고양이)에 의해 가려졌습니다. 한편, 양자역학의 애완동물처럼 영국 물리학자의 악마는 많은 중요한 발견의 원천이 되었습니다. 특히 그 덕분에 정보의 열역학적 이론과 이와 관련된 정보 엔트로피 개념이 탄생하게 됐다.
1960년대 미국 IBM(International Business Machines)의 연구원인 롤프 란다우어(Rolf Landauer)는 자신의 이름을 딴 원리를 공식화했습니다. 그는 모든 물리적 시스템에서 약간의 정보 손실을 해당 열의 방출(또는 열역학적 엔트로피의 증가)과 연결했습니다. Landauer의 작업은 오늘날까지 계속되는 컴퓨팅에 근본적인 의미를 가졌습니다. Landauer와 미국인 Claude Shannon 및 John von Neumann의 이름을 딴 이 표현을 사용하면 한계를 결정할 수 있습니다. 신체적 특성정보가 파괴되는 장치(주로 전력 및 크기)입니다. 인공 프로세서는 Landauer의 원리에 의해 예측된 것보다 수십억 배 더 많은 열을 발산하는 것에서 오늘날에는 단지 수천 배 더 많은 것으로 발전했습니다.
비트(0과 1의 값)로 인코딩된 정보를 포함하는 메모리 셀이 있다고 가정합니다. 그것을 파괴하면(즉, 0이나 1만 포함하는 상태로 변환) 열이 방출됩니다. 열역학 용어로 이것은 최대 정렬 상태(0 또는 1로만 설명됨)에 도달했기 때문에 시스템의 엔트로피가 0으로 변한다는 것을 의미합니다. Landauer는 "정보는 물리적 양이다"라는 말을 반복하는 것을 좋아했는데 이것이 그의 모토였습니다.
프랑스와 독일의 과학자들은 처음으로 정보의 일부가 파괴될 때 방출되는 열을 측정했습니다. 메모리 셀은 물 속에 놓인 직경 2마이크로미터의 석영 구슬이었습니다. 광학 핀셋을 사용하여 물리학자들은 구슬이 들어갈 수 있는 한 쌍의 잠재적인 구멍을 만들었습니다. 이러한 시스템 상태는 논리값 0과 1에 해당합니다. 시스템이 한 상태로 전환되면 정보가 지워졌습니다. 기계는 구덩이 깊이가 감소함에 따라 역할이 커지는 많은 뉘앙스, 특히 변동을 고려했습니다. 물리학자들은 Rapid를 사용하여 시스템이 한 상태에서 다른 상태로 전환되는 것을 관찰했습니다. 이 과정에는 열 방출이 수반되고 수온이 상승하며 이것이 기록되었습니다. 얻은 데이터는 Landauer의 원리에 의해 예측된 데이터와 가까운 것으로 나타났습니다.
그런데 맥스웰의 악마가 그것과 무슨 관련이 있습니까? 사실 Maxwell의 사고 실험에서 뜨거운 분자와 차가운 분자를 분류할 때 악마는 입자의 속도에 대한 정보를 축적합니다. 어떤 시점에서 메모리가 가득 차면 데몬이 작업을 계속하려면 메모리를 지워야 합니다. 이를 위해서는 이론적으로 뜨겁고 차가운 입자 시스템에서 추출할 수 있는 작업과 정확히 동일한 작업을 수행해야 합니다. 즉, 열역학 제2법칙을 위반하지 않습니다. 그러나 악마의 기억을 지우는 존재에 대해서는 형이상학적인 의문이 제기된다. 그녀는 작은 악마에게 영향을 미치는 일종의 슈퍼 악마일 수 있을까요? 이 질문에 대한 답은 1929년 맨해튼 프로젝트 참가자 중 한 명인 미국 물리학자 레오 실라드(Leo Szilard)에 의해 처음 제안되었습니다. 그의 이름을 딴 장치는 Maxwell의 악마에게 자율적인 작동을 제공합니다.
일본 과학자들은 2010년에 처음으로 이를 구현했습니다. 그들의 전기기계 모델은 전해질에 배치된 약 300나노미터 직경의 폴리스티렌 비드입니다. 전자기장은 비드가 아래쪽으로 이동하는 것을 방지했으며 그 결과 필드의 작업에 비례하는 기계적(잠재적) 에너지를 얻었습니다. 그러한 시스템에서 맥스웰의 악마는 관찰자와 그의 과학 도구였으며, 그 기능에는 에너지가 필요했습니다. 후자의 상황은 다시 열역학 제2법칙을 위반하는 것을 허용하지 않습니다. 일본 과학자와는 달리 핀란드, 러시아(러시아 과학 아카데미 미세 구조 물리학 연구소의 Ivan Khaimovich) 및 미국의 동료들은 처음으로 전기 기계가 아닌 완전 전자 Szilard 기계(Maxwell의 자율 악마)를 만들었습니다. .
이 시스템은 두 개의 초전도 알루미늄 단자에 연결된 작은 구리 섬을 형성하는 단일 전자 트랜지스터를 기반으로 합니다. 맥스웰의 악마는 트랜지스터에서 다양한 에너지의 전자 이동을 제어합니다. 입자가 섬에 있으면 악마는 양전하로 입자를 끌어당깁니다. 전자가 섬을 떠나면 악마는 음전하로 전자를 밀어내는데, 이로 인해 트랜지스터의 온도가 떨어지고 악마의 온도가 올라갑니다.
악마는 모든 조작을 자율적으로 수행하고(동작은 트랜지스터에 의해 결정됨) 온도 변화는 악마와 시스템 사이의 상관 관계를 나타내므로 맥스웰의 악마가 시스템 상태를 알고 이를 제어할 수 있는 것처럼 보입니다. 전자 악마를 사용하면 짧은 시간 내에 많은 수의 측정을 수행할 수 있으며 시스템의 온도가 낮아 시스템의 극히 작은 변화도 기록할 수 있습니다. 이 시스템은 또한 열역학 제2법칙을 위반하지 않으며 정보를 사용하여 작업을 수행할 수 있다는 직관적인 아이디어와도 일치합니다.
과학자들에게 왜 그러한 연구가 필요한가요? 한편으로는 열역학의 미시적 현상을 연구할 수 있다는 점에서 학문적으로 매우 흥미롭습니다. 반면에, 그들은 악마가 받은 정보로부터 엔트로피의 생성이 얼마나 중요한지를 보여줍니다. 이는 바로 이 연구의 저자가 양자 컴퓨터의 큐비트(고전 비트의 양자 유사체) 설계에 유용할 수 있다고 믿는 것입니다. 비록 가역 컴퓨팅의 새로운 발전에도 불구하고 이에 대한 이야기는 이 기사의 범위를 벗어납니다.
사고 실험은 다음과 같습니다. 가스가 담긴 용기가 뚫을 수 없는 칸막이에 의해 오른쪽과 왼쪽의 두 부분으로 나뉘어져 있다고 가정합니다. 칸막이에는 빠른(뜨거운) 가스 분자가 용기의 왼쪽에서 오른쪽으로만 날아가고 느린(차가운) 분자가 용기의 왼쪽에서만 날아갈 수 있도록 하는 장치(소위 맥스웰의 악마)가 있는 구멍이 있습니다. 선박의 오른쪽에서 왼쪽으로. 그런 다음 오랜 시간이 지나면 "뜨거운"(빠른) 분자가 오른쪽 용기에 들어가고 "차가운" 분자가 왼쪽에 "남아"있게 됩니다.
따라서 Maxwell의 악마를 사용하면 시스템에 추가 에너지 공급 없이 용기의 오른쪽을 가열하고 왼쪽을 냉각할 수 있는 것으로 나타났습니다. 용기의 오른쪽과 왼쪽 부분으로 구성된 시스템의 초기 상태에서 엔트로피는 최종 상태보다 큽니다. 이는 닫힌 시스템에서 엔트로피가 감소하지 않는다는 열역학적 원리와 모순됩니다(열역학 제2법칙 참조).
맥스웰의 악마와 용기를 포함하는 폐쇄 시스템을 고려하면 역설이 해결됩니다. Maxwell의 악마가 작동하려면 에너지가 제3자 소스로부터 전달되어야 합니다. 이 에너지로 인해 용기 내에서 뜨거운 분자와 차가운 분자의 분리, 즉 엔트로피가 낮은 상태로의 전환이 발생합니다. 악마(래칫 및 폴)의 기계적 구현에 대한 역설에 대한 자세한 분석은 Feynman Lectures on Physics, vol. 4, 파인만의 인기 강의 "물리법칙의 본질"에서도 마찬가지입니다.
정보 이론이 발전하면서 측정 과정이 열역학적으로 가역적이라면 엔트로피가 증가하지 않을 수도 있다는 것이 밝혀졌습니다. 그러나 이 경우 악마는 속도 측정 결과를 기억해야 합니다(악마의 메모리에서 속도를 삭제하면 프로세스를 되돌릴 수 없게 됩니다). 기억은 유한하기 때문에 어느 시점에서 악마는 오래된 결과를 지워야 하고, 이는 궁극적으로 전체 시스템의 엔트로피가 증가하게 됩니다.
일본 물리학자들의 성공
처음으로 일본 물리학자들은 추가 에너지를 전달하지 않고 상태에 대한 정보만 사용하여 시스템의 내부 에너지를 실험적으로 증가시킬 수 있었습니다.
정보로부터 에너지가 생성되는 현상은 영국의 물리학자 제임스 맥스웰(James Maxwell)의 사고 실험에서 처음으로 이론적으로 설명되었습니다. 그 안에는 나중에 "맥스웰의 악마"라고 불리는 생물이 두 방 사이의 문을 지키고 있었습니다. 문에 접근하는 분자의 에너지를 아는 악마는 "빠른" 분자에게만 통로를 열고 "느린" 분자 앞에는 문을 닫습니다. 결과적으로 모든 "빠른" 분자는 한 방에 있고 모든 느린 분자는 다른 방에 있게 되며, 결과적인 온도 차이는 실용적인 목적으로 사용될 수 있습니다.
이러한 "악마" 발전소를 구현하려면 결과적인 온도 차이에서 추출할 수 있는 것보다 훨씬 더 많은 에너지 비용이 필요하므로 이 원리로 작동하는 실제 엔진은 과학자들에 의해 진지하게 고려된 적이 없습니다. 그러나 최근 나노기술의 발전으로 이러한 시스템에 대한 관심이 다시 부각되고 있습니다.
이번 연구의 저자인 일본 물리학자 마사키 사노(도쿄 대학)는 “맥스웰의 악마”와 관련된 사고 실험을 실행했습니다.
과학자들은 구슬과 유사한 약 300나노미터 크기의 고분자 물체를 사용했습니다. 그 모양은 시계 방향으로 회전하는 것이 기계적 에너지의 방출을 동반하기 때문에 에너지적으로 더 유리하도록 선택됩니다. 반대로 시계 반대 방향으로 회전하면 비드가 "비틀어지고" 비드에 저장된 기계적 에너지가 증가합니다.
비드는 특수 용액에 배치되었으며 크기가 작기 때문에 브라운 운동에 참여하고 시계 방향과 시계 반대 방향으로 회전하기 시작했습니다.
연구원들은 특수 장비를 사용하여 구슬의 각 회전을 추적했으며, 구슬이 시계 반대 방향으로 회전함에 따라 구슬이 들어 있는 용기에 전압을 가했습니다. 이 작업은 시스템에 추가 에너지를 전달하지 않았지만 동시에 비드가 다시 "풀려"지는 것을 허용하지 않았습니다. 따라서 과학자들은 구슬이 어디로 회전하는지에 대한 정보만을 사용하여 분자의 브라운 운동 에너지로 인해 기계적 에너지 공급을 늘릴 수 있었습니다.
에너지 보존 법칙을 위반하지 않습니다. Sano의 계산에 따르면 실험에서 정보를 에너지로 변환하는 효율은 28%였으며 이는 이론적 계산과 일치합니다.
이러한 메커니즘은 나노머신이나 분자 메커니즘을 작동하는 데 사용될 수 있다고 온라인 간행물 Nature News에 인용된 Sano의 실험에 참여하지 않은 옥스퍼드 대학의 물리학자 Vlatko Vedral은 말했습니다.
“살아있는 시스템에서 이러한 에너지 전달 원리를 사용하는 것을 발견하는 것은 매우 흥미로울 것입니다.”라고 과학자는 덧붙였습니다.