I fisici convertono le informazioni in energia

Ecco un lavoro affascinante. Costruisci una piccola scala e posiziona una piccola perlina di polistirolo sul gradino inferiore (una scala è abbastanza semplice da costruire usando i campi elettrici).

È facile vedere il tallone spinto dal movimento casuale delle molecole nell'aria circostante, il noto fenomeno del moto browniano.

La maggior parte delle volte, il movimento browniano tende a far cadere il tallone giù per le scale, ma a volte lo spintone è abbastanza potente da spingere il tallone su un gradino.

Tieni d'occhio il tallone usando una videocamera e ogni volta che lo vedi salire di un gradino, cambia il campo elettrico in modo che non possa ricadere di nuovo. È come mettere una barriera dietro il tallone.

Mentre ripeti questo processo, il tallone si sposterà su per le scale, guidato dal movimento browniano.

Questo è esattamente l'esperimento che Shoichi Toyabe della Chuo University di Tokyo e alcuni amici hanno condotto con successo. L'implicazione è che il tallone sia in qualche modo in grado di estrarre energia dall'ambiente, il che a prima vista sembra una palese violazione della 2a legge della termodinamica.

Naturalmente, c'è di più in questo di quanto non appaia a prima vista. Il lavoro di Toyabe e co è una versione sperimentale del famoso demone di Maxwell. Immagina una scatola piena d'aria ma divisa a metà da una barriera. Il demone di Maxwell è un essere immaginario in grado di aprire la barriera per consentire il passaggio di molecole in rapido movimento mentre la chiude per quelle più lente.

Alla fine, le molecole in rapido movimento finiscono su un lato della barriera che diventa più caldo dell'altro, anche se non è stata aggiunta energia al sistema.

La domanda è se il demone di Maxwell violi o meno la seconda legge della termodinamica, che è che il calore non può fluire da solo da un sistema freddo a uno caldo.

Il pensiero più recente è che il demone di Maxwell non violi la 2a legge della termodinamica perché deve misurare la velocità di tutte le molecole prima di decidere quale far passare e questo richiede energia. Quando si tiene conto di ciò, non vi è alcuna violazione.

Ma ecco la cosa curiosa. Non vi è alcun trasferimento convenzionale di energia nel sistema: nessun riscaldamento o accelerazione delle molecole o qualcosa del genere. Invece, l'informazione stessa sembra essere il mezzo attraverso il quale l'energia viene trasferita.

Quel tipo di pensiero è stata una curiosità teorica, fino ad ora. Toyabe e amici lo hanno effettivamente fatto, la prima dimostrazione sperimentale di questo tipo di trasmissione di energia. In effetti hanno convertito le informazioni in energia in questo sistema.

Non c'è violazione della termodinamica qui. Questi ragazzi usano una videocamera per determinare la posizione del tallone, quindi quando si tiene conto del budget energetico della fotocamera, tutto funziona come previsto dalle leggi della termodinamica.

È difficile sopravvalutare il significato di ciò che hanno fatto: sono stati in grado di far funzionare una nanomacchina, una perlina che sale le scale, utilizzando nient'altro che informazioni come alimentazione.

Questo, dicono, è un tipo completamente nuovo di motore che chiamano motore termico informativo, e non è difficile immaginare il suo potenziale.

Significa che ora è possibile alimentare nanomacchine utilizzando l'informazione come mezzo per trasferire energia, anche se non c'è contatto diretto con la nanomacchina.

Il compito ora sarà quello di ridurre il sistema di rilevamento. Una videocamera è una cosa pesante da portare in giro. Sarebbe chiaramente utile trovare un modo microscopico per rilevare l'ambiente e utilizzare le informazioni raccolte per alimentare un nanodispositivo.

Non è ancora chiaro come sia possibile farlo, ma puoi scommettere il tuo ultimo dollaro che Toyabe e i suoi amici ci stanno lavorando. L'idea potrebbe anche generare un po' di interesse altrove.

Rif: arxiv.org/abs/1009.5287 : Informazioni Motore termico: Conversione delle informazioni in energia mediante il controllo del feedback

nascondere