这是一件迷人的作品。制作一个微小的楼梯,把一个小小的聚苯乙烯(polystyrene)珠子放在底部第一阶(这种阶梯是相当笔直的,是用电场制成)。
很容易看到,珠子被挤在中间,周围是空气中随机运动的分子,这就是著名的布朗运动(Brownian motion)现象。
大部分时间,布朗运动倾向于撞击珠子往下走,但有时,拥挤的威力足以推动珠子上一台阶。
用摄影机密切关注珠子,每当看到它上一了个台阶,就改变电场,使它不能再掉下来。这就像把一障碍设在珠子的背后。
重复这个过程,珠子就会向楼梯上移动,驱动力来自布朗运动。
正是这次实验,(邵奇·陶亚北)Shoichi Toyabe 和几个朋友做成功了,陶亚北是东京楚傲大学(Chuo University)的。言外之意是,珠子能以某种方式从环境中摄取能量,乍一看,似乎公然违反了热力学第二定律。
当然,还有更多的证据,不止是最初的现象。陶亚北和同伴们的工作是著名的麦克斯韦恶魔(Maxwell's demon)的一个实验版。想象一个盒子,里面充满了空气,但被一个障碍物分成两半。麦克斯韦恶魔是想象,能够打开障碍物,使得快速移动的分子通过,同时关住速度较慢的分子。
最后,快速移动的分子停留在障碍物的一侧,这一侧比另一侧变得更热,尽管没有能量注入该系统。
问题在于,麦克斯韦恶魔是否违反了热力学第二定律,该定律认为,热量不会自动地从一个凉的系统流向热的系统。
最新的思考认为,麦克斯韦恶魔并不违反热力学第二定律,因为它必须测量所有分子的速度,之后才能决定让哪个分子通过,而这需要能量。考虑到这一点时,就并不存在违反。
但是,这就奇怪了。没有传统的能量注入该系统:没有热量或分子的加速或类似的情况。相反,信息本身似乎成为能量转移的媒介。
直到现在这种思想一直是一个理论上的好奇。陶亚北和朋友们实际上已经做了,他们第一次实验演示了这种能量传输。实际上,他们已经在该系统中把信息转换成能量。
这里没有违反热力学第二定律。这些家伙用录像机确定珠子的位置,所以,摄像机的能量损耗被考虑进去的话,一切就都顺利解开了,正如热力学定律所预测的。
很难夸大他们所做的事情的重要性:他们已经能操作纳米机器,一个爬楼梯的珠子,而且仅仅用了信息来供应能量。
他们说,这完全是一种新型的引擎,他们称为信息-热引擎(information-heat engine),难以想像它的潜力。
这意味着,现在,驱动纳米机器可以使用信息作为媒介来传递能量,即使没有直接接触纳米机器。
现在的任务是缩小这种传感系统。摄像机是件重物,需要到处推着。显然更方便的是找到一些显微技术以自动检测环境,并利用采集到的信息驱动纳米装置。
现在还不清楚,这如何可以做到,但是你敢肯定陶亚北和队友都在进行这项工作。这个想法甚至在任何地方都会产生一点兴趣。
物理学家把信息转化为能量
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