Жидкость помнит прошлое: физики нашли способ получать втрое больше энергии

Физики из Германии обнаружили, что скрытая «память» жидкости позволяет извлекать из неё значительно больше энергии, чем считалось возможным для систем без такой памяти. В эксперименте исследователям удалось получить до трёх раз больше полезной работы по сравнению с теоретическим пределом для аналогичной системы, которая не сохраняет информацию о предыдущих движениях частиц.

В основе открытия лежит знаменитый мысленный эксперимент, предложенный физиком Джеймсом Клерком Максвеллом ещё в 1867 году. Учёный представил крошечное разумное существо, которое управляет дверцей между двумя сосудами с газом. Оно пропускает быстрые молекулы в одну сторону, а медленные — в другую. Постепенно один сосуд нагревается, а второй охлаждается.

На первый взгляд, такое поведение противоречит второму закону термодинамики. Согласно ему, в изолированной системе энтропия не может уменьшаться без соответствующего увеличения в другом месте. Однако существо, получившее название «демон Максвелла», будто бы создаёт разницу температур совершенно бесплатно, не затрачивая энергии на работу.

Позднее физики разрешили этот парадокс. Оказалось, что информация о состоянии системы сама имеет физическую природу, а её обработка связана с термодинамическими затратами. Поэтому никакого нарушения фундаментальных законов не происходит.

Но из решения парадокса следовал другой любопытный вывод: информацию о движении частиц можно использовать для получения полезной работы. Именно эту возможность исследовала группа под руководством Клеменса Бехингера из Констанцского университета.

Учёные создали экспериментальную установку, напоминающую реальную версию демона Максвелла. С помощью лазера они удерживали в жидкости микроскопический стеклянный шарик. Несмотря на воздействие лазерной ловушки, шарик не оставался неподвижным. Окружающие молекулы постоянно сталкивались с ним, заставляя хаотично перемещаться. Это явление известно как броуновское движение.

Исследователи отслеживали положение шарика и в подходящие моменты перемещали лазерную ловушку, используя его случайные колебания для извлечения небольшого количества энергии.

Так работают так называемые информационные двигатели. Они получают сведения о состоянии физической системы и на их основе превращают беспорядочное движение в полезную работу.

Однако у такого подхода есть ограничение: использовать можно лишь ту информацию, которая доступна для наблюдения. В реальных физических системах часть важных процессов остаётся скрытой.

Именно здесь эксперимент немецких физиков оказался необычным. Вместо простой воды исследователи использовали жидкость, содержащую мицеллы — длинные молекулярные структуры, напоминающие нити спагетти. Эти нити образовывали вокруг стеклянного шарика сложную микроскопическую сеть.

Когда шарик двигался, окружающие структуры переплетались и перестраивались. При этом сеть некоторое время сохраняла следы его предыдущих перемещений. Получалось, что жидкость обладала своеобразной памятью: прошлые движения шарика могли влиять на его дальнейшее поведение.

Непосредственно наблюдать за перестройками молекулярной сети исследователи не могли. Но они нашли способ получать сведения о скрытых процессах, отслеживая сам шарик.

Вместо одного измерения положения частицы учёные проводили два с определённым интервалом. Оказалось, что время между наблюдениями играет решающую роль.

Если измерения следовали слишком быстро друг за другом, они почти ничего не сообщали о скрытых изменениях жидкости. Если же интервал оказывался слишком большим, окружающая сеть уже успевала частично «забыть» предыдущее движение шарика.

Наиболее подходящим оказался промежуток примерно в одну секунду.

Сравнивая два измерения, физики могли определить, как изменилось состояние окружающей молекулярной сети и каким образом оно способно повлиять на следующее перемещение частицы. Благодаря этому исследователи точнее выбирали момент для перемещения лазерной ловушки и извлекали дополнительную энергию, которая иначе осталась бы недоступной.

Представить происходящее можно с помощью простой аналогии. Вообразите небольшой шарик, находящийся в густом супе из невидимых спагетти. Нити постоянно цепляются друг за друга и меняют положение, когда шарик движется.

Если посмотреть на шарик только один раз, невозможно понять, что происходит с окружающими нитями. Но два наблюдения, сделанные с подходящим интервалом, дают подсказку о скрытом движении спагетти. Используя эту информацию, можно выбрать более выгодный момент для воздействия на шарик и получить дополнительную энергию.

В некоторых условиях такой подход позволил извлечь до трёх раз больше полезной работы, чем допускает теоретический предел для сопоставимой системы без памяти.

При этом второй закон термодинамики остаётся в силе. Исследователи не обнаружили способ получать энергию из ничего. Они показали, что скрытая информация о предыдущем состоянии окружающей среды представляет собой дополнительный ресурс, который обычные информационные двигатели не используют.

Пока у открытия нет непосредственного практического применения. Физики не создали микроскопическую машину, способную выполнять полезные задачи. Их эксперимент прежде всего продемонстрировал новый принцип извлечения энергии из сложных физических систем.

Тем не менее результаты могут оказаться важными для будущих технологий, работающих на микроскопическом уровне. Особенно интересны среды, подобные биологическим жидкостям, где движение частиц тесно связано с многочисленными взаимодействиями с окружающими молекулами.

Обычно такие взаимодействия затрудняют управление микроскопическими объектами. Новая работа показывает, что при определённых условиях их можно, наоборот, использовать для получения дополнительной полезной работы.

По словам авторов исследования, эксперимент подтвердил, что память окружающей среды может служить доступным для практического использования термодинамическим ресурсом.

Результаты работы опубликованы в научном журнале Nature Physics.