قابل شيطان المقامرة الخاص بـ Maxwell – ذكي بما يكفي للإقلاع عن التدخين أثناء تقدمه

14

اعرف متى تبتعد ، واعرف متى تركض –

حتى أن الفيزيائيين أظهروا المبدأ الأساسي في جهاز إلكتروني بمقياس نانوي.

في نسخة جديدة من التجربة الفكرية الكلاسيكية في القرن التاسع عشر ، يلعب شيطان ماكسويل دور المقامر الذي يعرف متى يتخلى عن التدخين أثناء تقدمه.
تكبير / في نسخة جديدة من التجربة الفكرية الكلاسيكية في القرن التاسع عشر ، يلعب شيطان ماكسويل دور المقامر الذي يعرف متى يتخلى عن التدخين أثناء تقدمه.

الانتروبيا (المعروف أيضًا باسم القانون الثاني للديناميكا الحرارية) هي عشيقة قاسية. إذا كنت تفكر في الكون على أنه كازينو كوني ، فإن قوانين الديناميكا الحرارية ترقى إلى حد كبير: لا يمكنك الفوز ، ولا يمكنك كسر التعادل ، و- ما لم تفتح بوابة إلى عالم بديل بقوانين فيزيائية مختلفة- فأنت لا أستطيع الخروج من اللعبة. عليك فقط الاستمرار في اللعب ونأمل أن تتوصل إلى استراتيجيات ناجحة لتقليل خسائرك قدر الإمكان – وربما حتى تتقدم في بعض الأحيان ، على الأقل على المدى القصير.

هذا هو جوهر بحث جديد نُشر في مجلة Physical Review Letters. تقوم الورقة بتحديث تجربة فكرية كلاسيكية من القرن التاسع عشر تُعرف باسم شيطان ماكسويل ، والتي توفر ثغرة محتملة لتخريب القانون الثاني — على الأقل مؤقتًا. اقترح الفيزيائيون الآن نسخة مقامرة من الشيطان الذي يلعب آلة القمار ، غير قادر على التحكم في الوقت الذي تدفع فيه الآلة (من حيث الطاقة المجانية المتاحة للعمل) ولكنهم قادرون على اختيار وقت التوقف عن اللعب لتعظيم “أرباحها”. قد يؤدي البحث يومًا ما إلى تحسين كفاءة المحركات والمحركات الحرارية المجهرية.

كما ذكرنا سابقًا ، في حوالي عام 1870 ، تخيل جيمس كلارك ماكسويل عفريتًا صغيرًا قادرًا على خلق النظام من الفوضى في حاوية مغلقة مليئة بالغاز. حقق العفريت ذلك بجعل الحرارة تتدفق من حجرة باردة إلى حجرة ساخنة في انتهاك واضح للقانون الثاني. سيتم فصل المقصورتين بجدار به مصراع يغطي ثقبًا كبيرًا بما يكفي لتمرير جزيء غاز. 

سوف يجلس عفريت ماكسويل الافتراضي فوق الجدار الفاصل ويفتح ويغلق المصراع حسب الرغبة. ستكون جزيئات الغاز عمومًا شديدة الاضطراب (إنتروبيا عالية) ، بمعنى أن لها نفس متوسط ​​السرعة ودرجة الحرارة تقريبًا وبالتالي ستكون قريبة من التوازن. لذلك لن يكون هناك الكثير من الطاقة المتاحة لـ “الشغل” —المعرَّفة في الفيزياء على أنها القوة على مسافة معينة ( W = fd ).

نظرًا لأن الذرات التي تتكون منها الجزيئات تتحرك باستمرار ، فستكون هناك تقلبات صغيرة بمرور الوقت. عندما يرصد الشيطان جزيءًا يتحرك بشكل أسرع قليلاً بالقرب من الثقب في الحجرة اليمنى (الباردة) ، فإنه سيفتح المصراع ويسمح للجزيء بالمرور إلى الحجرة اليسرى (الساخنة). يفعل العفريت الشيء نفسه مع أي جزيئات غاز بطيئة الحركة في الحجرة اليسرى ، مما يسمح لها بالمرور إلى الحجرة اليمنى الأكثر برودة. لذا فإن الجزيئات الموجودة في الحجرة اليسرى تصبح أكثر سخونة وسخونة ، بينما الجزيئات الموجودة في اليمين تصبح أكثر برودة وبرودة ، في انعكاس واضح للإنتروبيا. بمجرد أن يكون لديك هذا الاختلاف في درجة الحرارة ، يكون لديك بشكل أساسي مضخة حرارية قادرة على أداء عمل مفيد.

إحصائيًا ، من شبه المستحيل فرز وفصل مليارات الجزيئات المفردة حسب السرعة أو درجة الحرارة. من حيث المبدأ ، ستكون هناك حاجة إلى كمية هائلة من الطاقة الإضافية. يوفر شيطان ماكسويل تلك الطاقة الإضافية ، لذا فإن التجربة الفكرية ليست نظامًا مغلقًا حقًا ، ولا يوجد انتهاك للقانون الثاني.

توصل الفيزيائيون إلى بعض التجارب الذكية لجلب نسخة من الشيطان إلى المختبر. على سبيل المثال ، ابتكر العلماء الاسكتلنديون “سقاطة معلومات” في عام 2007 لإحداث فرق في درجات الحرارة في الأنظمة الكيميائية التي من شأنها أن تكون في حالة توازن حراري. في العام التالي ، ابتكر باحثو جامعة أوريغون نسخة بارعة باستخدام ضوء الليزر لإنشاء صندوق ، مع اثنين من الليزر الآخرين ليكونا بمثابة حاجز للباب المسحور و “شيطان” للفرز ، على التوالي.

في التجربة الفكرية الجديدة ، يلعب الشيطان بشكل متكرر آلة قمار قد تدفع أو لا تدفع طاقة مجانية (عملات ذهبية). يستخدم الشيطان إستراتيجية تسمح له إما بمواصلة اللعب لفترة زمنية محددة (يمينًا) أو أن يقرر التوقف مبكرًا إذا كانت المكاسب جيدة (على اليسار).
تكبير / في التجربة الفكرية الجديدة ، يلعب الشيطان بشكل متكرر آلة قمار قد تدفع أو لا تدفع طاقة مجانية (عملات ذهبية). يستخدم الشيطان إستراتيجية تسمح له إما بمواصلة اللعب لفترة زمنية محددة (يمينًا) أو أن يقرر التوقف مبكرًا إذا كانت المكاسب جيدة (على اليسار).مانزانو وآخرون. / APS / آلان ستونبراكر

اكتشف الفيزيائيون اليابانيون كيفية إقناع حبة بمقياس نانوي لأعلى سلم حلزوني في ورقة بحثية نُشرت عام 2010 في مجلة Nature ، بناءً على مفهوم محرك زيلارد. في عام 2013 ، بنى العلماء الألمان مكافئًا تجريبيًا لشيطان ماكسويل من زوج من النقاط الكمومية المتفاعلة (أجزاء صغيرة من أشباه الموصلات لا يتجاوز عرضها بضعة نانومترات). وفي عام 2018 ، أعاد علماء الفيزياء في ولاية بنسلفانيا ترتيب مجموعة عشوائية من الذرات في كتل منظمة لإنشاء مكافئ كمي لشيطان ماكسويل.

بالنسبة لهذه الورقة البحثية الأخيرة ، تساءل المؤلف المشارك جونزالو مانزانو من المركز الدولي للفيزياء النظرية (ICTP) في تريستا بإيطاليا وزملاؤه عما إذا كان بإمكانهم وضع استراتيجية لا تتطلب مستوى عالٍ من التحكم في التجربة الفكرية الأصلية. ، بينما لا يزال يسمح للشيطان بخلق عدم تناسق بالغ الأهمية لحصد الطاقة من أجل العمل. في هذا الإصدار الجديد ، لا يمكن للعفريت الصغير الحجم أن يراقب بشكل سلبي إلا عندما يفتح المصراع وينغلق تلقائيًا – وبشكل غير متوقع. اعتمادًا على ما إذا كان يتم فصل الجزيئات الساخنة والباردة بنجاح مع كل فتح وإغلاق للغالق ، يجب أن يختار الشيطان ما إذا كان سيستمر في “لعب” اللعبة أو التوقف والبدء من جديد.

من حيث الجوهر ، يراهن الشيطان على نتيجة آلة القمار ذات المقياس الجزيئي ، ويقرر بعد كل دورة ما إذا كان سيستمر في اللعب أو يتوقف. كل دور يتكبد تكلفة في العمل ، على غرار تكلفة كل دورة. يجب أن يحدد شيطان المقامرة أفضل استراتيجية لتحقيق مكاسب صافية مؤقتة في مكاسبه من الطاقة من خلال استغلال التقلبات العشوائية العرضية في حركة الجسيمات. قال مانزانو لـ APS Physics: “إحدى طرق تطوير الاستراتيجيات الناجحة هي التوقف عندما تسوء الأمور بطريقة ما لتجنب الخسائر الفادحة”.

يُظهر المسح الضوئي بالمجهر الإلكتروني الجهاز المستخدم لتنفيذ شيطان القمار. الهياكل المستدقة على كل جانب هي أقطاب كهربائية يمكن للإلكترونات المفردة أن تقفز منها إلى جزيرة النحاس على شكل شريط بينهما. كل قفزة تشبه جزيء غاز يمر عبر مصراع الشيطان. 
يُظهر الرسم المجهر الإلكتروني لتكبير / مسح الجهاز المستخدم لتنفيذ شيطان القمار. الهياكل المستدقة على كل جانب هي أقطاب كهربائية يمكن للإلكترونات المفردة أن تقفز منها إلى جزيرة النحاس على شكل شريط بينهما. كل قفزة تشبه جزيء غاز يمر عبر مصراع الشيطان. مانزانو وآخرون ، 2021

مانزانو وآخرون . وجدت أنه لا توجد استراتيجية واحدة ناجحة: بعض استراتيجيات “التوقف” كانت ناجحة ، والبعض الآخر لم يكن كذلك. حتى الناجحين عملوا فقط على المدى القصير. العب اللعبة لفترة كافية ، وستنتصر الإنتروبيا دائمًا في النهاية. وجد المؤلفون أن مفتاح الحصول على مكاسب صافية مؤقتة من الطاقة لأي عملية تشغيل معينة هو التأكد من أن تسلسل فتح وإغلاق المصراع يكسر تناسق انعكاس الوقت (بما يتماشى مع سهم الوقت الذي يحكم وجودنا على نطاق واسع)

وقد تم إثبات ذلك من خلال جهاز إلكتروني نانو تجريبي أنشأه الفريق بمساعدة عالم الفيزياء في جامعة آلتو يوكا بيكولا ، حيث تنفق الإلكترونات المفردة في نفق في جزيرة معدنية. كما كتب فيليب بول في APS Physics:

يتكون [الجهاز] من أقطاب كهربائية مفصولة عن جزيرة معدنية بفجوة. عند تبريدها إلى جزء صغير من درجة كلفن ، يمكن للإلكترونات الفردية القفز بين الجزيرة والأقطاب الكهربائية. يتحكم الجهد المطبق على الجزيرة في فرص القفز وبالتالي يعمل مثل باب السحب. عندما يقفز إلكترون على الجزيرة ، يمكن تحويل الحرارة المستخرجة من القطب إلى عمل ؛ على العكس من ذلك ، عندما يقفز إلكترون من الجزيرة إلى قطب كهربائي ، تتبدد الحرارة.

قد يؤدي نهج مثل شيطان المقامرة في يوم من الأيام إلى تحسين أداء المحركات الدقيقة مثل السقوط الحراري. يؤكد الباحثون أن شيطان القمار يجب أن يعمل أيضًا في عالم الكم ، مما يزيد من إمكانية الأجهزة الكمية التي يمكنها التغلب مؤقتًا على القانون الثاني لاستخراج العمل من القفزات الكمية العشوائية.

DOI: Physical Review Letters، 2021. 10.1103 / PhysRevLett.126.080603 (حول DOIs).