Азартная игра на наноуровне бросает вызов основному закону физики
На протяжении двух столетий цикл Карно стоял как неприступная скала в мире физики и инженерии. Этот фундаментальный принцип, установленный еще в 1824 году, холодно заявлял: ни один тепловой двигатель не может быть эффективнее значения, определяемого разницей температур его нагревателя и холодильника. Это был абсолютный потолок, продиктованный самим вторым законом термодинамики — законом, управляющим всей Вселенной.
Сама мысль о его превышении была равносильна изобретению вечного двигателя. Однако группа исследователей под руководством Эдгара Рольдана из Международного центра теоретической физики имени Абдуса Салама осмелилась бросить вызов этому догмату. В своем революционном исследовании, опубликованном в Physical Review Letters, они подробно описывают концепцию «игрового двигателя Карно» — микроскопической машины, которая не просто приближается к 100% эффективности, но и потенциально способна ее достичь, стратегически используя саму суть хаоса — тепловые колебания.
Суть инновации заключается в радикальном переосмыслении работы теплового двигателя на микроскопическом уровне. В отличие от стандартного двигателя Карно, который работает по предопределенному, неумолимому циклу, новый подход, названный «игровым двигателем Карно» (GCE), использует адаптивную стратегию, основанную на теории игр и активной обратной связи. Система состоит из коллоидной частицы — крошечной полистирольной сферы, взвешенной в воде и удерживаемой на месте лазерным «оптическим пинцетом». Этот лазер создает энергетическую «ловушку» для частицы. Традиционный двигатель выполнял бы циклы, механически сжимая и расширяя эту ловушку, затрачивая работу на преодоление броуновского движения — хаотических толчков, которые частица испытывает от молекул воды.
Ключевой прорыв заключается в изотермической фазе сжатия цикла. В классическом сценарии для сжатия частицы требуется медленно увеличивать жесткость ловушки, что неизбежно требует значительных затрат энергии. GCE действует иначе. Здесь на сцене появляется внешний контроллер, или «демон» — современная цифровая версия мысленного эксперимента Максвелла. Этот демон в режиме реального времени, с частотой свыше 100 тысяч раз в секунду, отслеживает положение броуновской частицы с помощью высокоскоростной лазерной интерферометрии. Он не пассивный наблюдатель, а стратег.
Исследователи разработали критерий, аналогичный правилам в блэкджеке: если частица до истечения заданного времени самостоятельно, благодаря своему хаотическому движению, пересекает центр ловушки (точку x=0), демон немедленно «делает ставку» — он фиксирует ловушку в ее конечном состоянии сжатия в этот самый момент. Поскольку частица уже находится в целевой позиции, это действие требует нулевых затрат работы. Энергия, которая обычно тратилась бы на принудительное сжатие, полностью экономится.
Эта стратегическая «азартная игра» с тепловым шумом кардинально меняет определение эффективности. Вероятность того, что частица вовремя совершит нужное движение, экспоненциально падает со временем, но в квазистатическом пределе (для очень медленных, идеализированных циклов) эффективность такого процесса преобразования тепла в работу приближается к 100%, формально превосходя предел Карно. Однако, как подчеркивает Эдгар Рольдан, это кажущееся нарушение фундаментальных законов является иллюзией, если рассматривать систему в целом. Успех стратегии полностью зависит от постоянного получения и обработки информации о положении частицы.
С точки зрения классической термодинамики, эта обработка информации сама по себе энергозатратна. Если в конечный расчет эффективности включить стоимость получения этих данных и, что очень важно, стоимость стирания информации для сброса демона перед следующим циклом (в соответствии с принципом Ландауэра), то полный энергетический баланс системы возвращается к согласию с пределом Карно. Таким образом, двигатель не нарушает второе начало термодинамики, а мастерски его перераспределяет, используя информацию в качестве ресурса.
От теоретической концепции до лабораторной реализации — один шаг. Исследователи уверены, что их двигатель можно собрать в кратчайшие сроки, поскольку все расчеты основаны на реалистичных параметрах из предыдущих экспериментов с оптическими пинцетами. Главная техническая сложность — обеспечить достаточную скорость измерения и обратной связи, чтобы демон успевал принимать решения. Частоты ниже 100 кГц приведут к задержкам, которые сведут на нет все преимущества стратегии.
Эта работа открывает новые пути для создания высокоэффективных наноразмерных устройств для сбора энергии, способных преобразовывать бросовое тепло от микроэлектроники или даже биологических процессов в полезную электроэнергию, демонстрируя, что на грани хаоса и порядка можно вести стратегическую игру с самой природой.