پنج شنبه، 30 سپتامبر 2010

اگر راه‌پله‌ئی بسازید و مهره‌ئی از جنس پولی‌استیرن روی پایین‌ترین پله قرار دهید (با میدان‌های الکتریکی ساختن ‌راه‌پله کار سرراستی‌ست)، می‌توانید انتظار داشته باشید که مهره را حرکت کاتوره‌ای‌ی مولکول‌های هوای اطراف به این سو و آن سو براند که همان پدیده‌ی معروف ِ حرکت براؤنی‌ست. بیشتر اوقات حرکت براؤنی مهره را از پله‌ها پایین خواهد انداخت اما گاهی فشار مولکول‌های هوا آن قدر قدرت خواهد داشت که مهره را یک پله بالاتر ببرد.


حال اگر با دوربین ویدئویی مهره را از نزدیک تحت نظر بگیرید و هر بار که دیدید از پله‌ئی بالا رفت میدان الکتریکی را طوری تغییر بدهید که پایین‌افتادن مهره ناممکن شود (مثل این‌ است که مانعی پشت مهره قرار داده‌اید)، می توانید با تکرار این فرآیند کاری کنید که حرکت براؤنی مهره را از راه‌پله بالا ببرد. این دقیقاً آزمایشی ست که شو-ایچی تویابه و شماری از همکارانش در دانشگاه چو در توکیو با موفقیت به انجام رسانده‌اند. ممکن است از این آزمایش برخی این نتیجه را بگیرند که مهره به نحوی توانسته است از محیط انرژی بگیرد و به‌صورتی نمایان قانون دوم ترمودینامیک نقض شده است.


ولی موضوع به همین سادگی نیست. تویابه و همکارانش اولین نسخه‌ی تجربی‌ی شیطانک معروف ماکسول را ساخته‌اند. جعبه‌ئی را پر از هوا در نظر بگیرید که مانعی آن را دو بخش کرده باشد. شیطانک ماکسول موجودی خیالی‌ست که می تواند مانع را باز کند و بگذارد مولکول‌های تند تنها به یک سوی مانع بروند. در این صورت یک بخش از بخش دیگر داغ‌تر خواهد شد بدون این‌که انرژی‌ئی به سیستم داده شده باشد. قانون دوم ترمودینامیک می‌گوید گرما نمی تواند خودبه‌خود از سیستم سرد به سیستم گرم منتقل شود و این سؤال پیش می‌آید که آیا شیطانک ماکسول قانون دوم را نقض کرده است. جدیدترین نظرات در باره ی شیطانک ماکسول به این پرسش پاسخ منفی می‌دهد زیرا شیطانک باید سرعت همه مولکول‌ها را پیش از رسیدن به مانع اندازه بگیرد تا بتواند تصمیم بگیرد کدام مولکول باید از مانع رد شود و این کار نیاز به انرژی دارد. وقتی این انرژی به حساب آورده شود نقض قانون دوم منتفی‌ست.

اما نکته‌ی جالب این است که هیچ انتقال انرژی‌ به‌شکل معمول آن، مثلاً گرمادهی یا شتاب‌دهی به مولکول‌ها، رخ نمی‌دهد و به‌نظر می‌رسد واسطه‌ی انتقال انرژی‌ اطلاعات است. تا کنون این اندیشه، تنها نکته‌ی عجیبی در عالم نظریه‌پردازها بوده است. اما تویابه و دوستانش در عمل از پس این کار برآمده‌اند و اولین نمونه‌ی عملی‌ی این نوع انتقال انرژی را در آزمایشگاه پیاده کرده‌اند، یعنی در عمل اطلاعات را در این سیستم به انرژی تبدیل کرده‌اند. هیچ یک از قوانین ترمودینامیک هم نقض نشده است زیرا برای معین‌کردن محل مهره دوربینی ویدئویی به کاربرده شده و وقتی مصرف انرژی‌ی این دوربین به حساب بیاید همه چیز همان طور است که ترمودینامیک پیش‌بینی می‌کند.

نمی‌توان در باره‌ی اهمیت این کار اغراق کرد: آزمایشگرها نانوماشینی ساخته اند متشکل از مهره‌ئی که از راه‌پله‌ئی بالا می‌رود و بدون استفاده از هیچ چیز به‌جز اطلاعات آن را به منبع انرژی تبدیل کرده‌اند. این نوعی موتور جدید است که آنها موتور گرمایی-اطلاعاتی نامیده‌اند و تصور‌کردن کاربردهای بالقوه ی آن چندان مشکل نیست. این امکان اکنون مطرح است که با کاربرد اطلاعات انرژی را منتقل کرد و حتی در حالتی که هیچ تماسی با نانوماشین وجود ندارد توان آن را تأمین کرد. کاری که اینک باید انجام شود کوچک‌کردن سیستم حسگر است. روشن است که یافتن روشی میکروسکوپی به‌جای دوربین ویدئویی برای حس‌کردن محیط و استفاده از اطلاعات حاصل برای تأمین توان ابزار نانومتری خیلی به‌درد خواهد خورد. معلوم نیست که این کار چه‌گونه باید انجام شود اما می‌توانید مطمئن باشید تویابه و دوستانش در باره‌ی این موضوع کار می‌کنند و احتمالا آزمایشگاه‌های دیگری نیز به این موضوع علاقه‌مند خواهند شد.

مرجع:

arxiv.org/abs/1009.5287: Information Heat Engine: Converting Information to
Energy By Feedback Control

برگرفته از: http://www.technologyreview.com/blog/arxiv/25814/?ref=rss