Як лікувати хворобу у черепашок морських. Хвороби черепах, їх профілактика та лікування

Цей парадокс давно розгаданий. У 1929 році приват-доцент Берлінського університету Лео Сціллард (в майбутньому один з найвизначніших учасників Манхеттенського проекту) показав, що навіть демон, що ідеально діє, збільшує власну ентропію щоразу, як отримує інформацію про рух молекули. Ентропія всієї системи залишається незмінною, бо демон та газ утворюють єдине ціле. Доля часом подорожує дивними шляхами. Лео Сцілларду на схилі років довелося лікуватись у американського кардіолога Алвіна Рейзена. У того був маленький синМарк, який, коли виріс, став фізиком, професором Техаського університетув Остин. У Останніми рокамивін та його колеги розробили новий методнадглибокого охолодження газів, в якому застосовується лазерний пристрій… аналогічний за своїми діями демону Максвелла.

Метод Рейзена

Вже кілька десятиліть фізики доводять газ до температур мікрокельвіни за допомогою доплерівського поглинання лазерного випромінювання. Однак професор Рейзен пояснив «Популярній механіці», чому цей метод його не влаштовує: «Він хороший, але надто вибагливий. Так можна охолодити лише окремі речовини, переважно пари лужних металів. Наш метод набагато універсальніший. Він застосовується для будь-якого газу, атоми або молекули якого можуть перебувати у двох довготривалих метастабільних квантових станах. Існує безліч речовин, які відповідають цій вимогі».

Класичний демон на варті дверцят у перегородці судини (ліворуч) та схема трирівневої системи в експерименті Рейзена (праворуч). Атоми в магнітно-гравітаційній пастці за допомогою оптичного накачування лазером даному випадкуце і є демон) переводять із стану B в стан A через проміжний стан).

Метод, розроблений групою Рейзена, полягає в тому, що спочатку газ охолоджують до кількох мілікельвінів за допомогою одного з надійних. традиційних способіві замикають у магнітній пастці, на яку спрямовані два лазери. Промінь одного лазера перетинає порожнину пастки в середині, а інший висвітлює лише одну половину-припустимо, праву.

«Для певності вважатимемо, що газ атомарний, — каже професор Рейзен. — Назвемо один із можливих станів його атомів синім, інший — червоним. Налаштуємо центральний лазер так, щоб його випромінювання відштовхувало атоми, що перебувають у червоному стані. Другий лазер переводить атоми із синього стану в червоний. Вважатимемо, що спочатку всі атоми сині. Заповнимо ними пастку і включимо центральний лазер. Оскільки червоних атомів немає, випромінювання та газ ніяк не взаємодіють. Тепер подамо струм у бічний лазер. Кожен атом, який зустрінеться з випущеним ним фотоном, перейде із синього стану до червоного. Якщо такий "перефарбований" атом наблизиться до центральної площини пастки, його відкине назад промінь першого лазера. В результаті в правій зоні накопичуватимуться червоні атоми, а ліва спорожніє. Отже, наша пара лазерів працює аналогічно демону Максвелла. При цьому температура газу не змінюється, а його тиск, звісно, ​​зростає».

Атоми мають власну частоту коливань, і якщо потрапити в резонанс, тобто опромінити його фотонами відповідної частоти, атом поглине його. Якщо частота фотонів буде трохи нижче, вони поглинатимуться лише атомами, що рухаються назустріч (за рахунок усунення резонансної частоти завдяки ефекту Доплера). При поглинанні фотон передаватиме атому імпульс, зменшуючи його швидкість і тим самим «охолоджуючи» його (атом випромінює фотони, однак напрямок випромінювання спонтанний, так що в цілому воно не впливає на імпульс атома). У такий спосіб можна охолодити атоми до температур близько десятків мілікельвінів. Подальше удосконалення цього способу, за розробку якого фізикам Стівену Чу, Вільяму Філіпс та Клоду Коен-Таннуджі в 1997 році вручили Нобелівську премію, передбачає охолодження кількома лазерними пучками у неоднорідному магнітному полі, що дозволяє досягати температур у сотні мікрокельвінів. Найдосконаліший різновид цієї методики, що дозволяє досягти десятків і навіть одиниць мікрокельвін — т.зв. сизіфове охолодження атомів у лазерних пучках, які за рахунок поляризації створюють серію стоячих хвиль, проходячи через які, атоми втрачають енергію, ніби піднімаючись «в гору» (звідси і назва).

Холодний газ, гаряче випромінювання

Проте де ефект охолодження? «Тепер, — продовжує своє пояснення професор Рейзен, — маніпулюватимемо центральним лазером таким чином, щоб газ повільно заповнив всю порожнину пастки. За такого розширення газ охолоджується. Ось, власне, і все — мети досягнуто. Ця теорія вже перевірена на досвід ще три роки тому. Тоді ми провели перший експеримент – охолодили пари рубідії у тисячу разів (від мілікельвінів до мікрокельвінів). Цю техніку ми назвали однофотонним охолодженням, оскільки для переходу між станами атома потрібно розсіяти лише один фотон. А ось доплерівський метод охолоджує газ за допомогою гальмування атомів, для чого потрібно багато фотонів».

А як же ентропія? «З нею все гаразд, – заспокоїв нас професор Рейзен. — Коли газ збереться у правій зоні, його ентропія, звісно, ​​знизиться. Однак пригадаємо, що кванти лазерного випромінювання при зустрічі з атомами хаотично розсіюються на всі боки. У цьому зростає ентропія випромінювання, причому цей приріст повністю компенсує зниження ентропії газу. Так що лазерний демон працює у повній відповідності до теорії Сцилларда. Звичайно, і сам Максвелл, і ще кілька поколінь фізиків не вірили у реальну здійсненність такого тонкого маніпулювання газовими частинками. Я й сам років двадцять тому вважав би це за чисту фантастику. Але наука нерідко досягає, здавалося б, неможливих цілей — і це якраз такий випадок. Думаю, Максвелла б наша розробка сподобалася».

Енциклопедичний YouTube

1 / 5

✪ Демон Максвелла

✪ Демон Максвелла

✪ Science show. Випуск № 58. Два демони теоретичної фізики

✪ Science show. Випуск 50. Візуалізація у фізиці

✪ Science show. Випуск № 63. Успіхи Теорії Великого Вибуху

Субтитри

Згідно з другим законом термодинаміки, ентропія Всесвіту постійно збільшується. Відповідно, коли у Всесвіті здійснюється якийсь процес, ентропія завжди буде більшою або дорівнює 0. І в попередньому ролику ми з'ясували, що це може мати дуже багато різних наслідків. Незалежно від того, як ви розумієте ентропію - як помножений на постійне число натуральний логарифм кількості станів, які може прийняти ваша система, або як тепло в системі, поділене на температуру, при якій воно додається, - обидва ці описи, у поєднанні з другим законом термодинаміки, кажуть нам: коли гаряче тіло знаходиться поряд з холодним - скажімо. .Давай намалюємо. Ось це T1, а ось це – T2 - то тепло передаватиметься від гарячого тіла до холодного. Ми показали це у минулому ролику за допомогою математичних обчислень. Тепло передаватиметься у цьому напрямку. Один із людей, коментували минулий ролик, написав: «А чи не могли б ви розповісти про демона Максвелла?» Розкажу! Тому що це дуже цікавий уявний експеримент, який начебто спростовує аналізований принцип і другий закон термодинаміки. Та й назва у нього дуже цікава – «демон Максвелла». Втім, «демоном» його, зважаючи на все, назвав зовсім не Максвелл, а Кельвін. Ну, ви знаєте, цим хлопцям все було цікаво. Отже, демон Максвелла. Це той самий Максвелл, ім'ям якого названо знамените рівняння, тому він дійсно цікавився дуже багатьма речами. Серед іншого він був першою людиною, якій вдалося створити кольорове зображення. Причому у середині ХІХ століття. Отже, маємо дуже проникливий учений. Але що таке демон Максвелла? Коли ми говоримо, що якесь тіло має вищу температуру, ніж інше, що ми маємо на увазі? Ми маємо на увазі, що середня кінетична енергія молекул цього тіла, що стикаються ось тут… що середня кінетична енергія цих молекул… вище, ніж середня кінетична енергія молекул тут. Зверніть увагу: я сказав – середня кінетична енергія. І ми говорили про це неодноразово. Температура – ​​це макростан. Ми знаємо, що на мікрорівні всі ці молекули мають різну швидкість. Вони стикаються один з одним, передаючи один одному інерцію руху. Ось ця може рухатися дуже швидко у цьому напрямку. А ось ця може рухатись досить повільно. Ця може рухатися дуже швидко таким чином. А ось ця може рухатись досить повільно. Все це досить заплутано. Але ми можемо накреслити графік розподілу. Якщо ви знаєте мікростан всього, ви можете накреслити невелику гістограму. Для T1 ми можемо сказати… Скажімо, використовуємо шкалу Кельвіна. Погляньте, ось моя середня температура, але при цьому маю загальний графік розподілу частинок. Тобто ось це – кількість частинок. І вибудовувати якусь шкалу тут я не буду. Ви вловили основну ідею. Отже, у мене є безліч частинок, які складають T1, але я також маю певні частинки, які можуть бути дуже близькими до абсолютного нуля. Звичайно, їх буде небагато, але все ж таки. Тобто у вас є безліч, яка, ймовірно, складає T1, і безліч частинок, які могли б мати кінетичну енергію більш високу, ніж у T1. Вище, ніж середня кінетична енергія. Можливо, ми говоримо ось про цю. Можливо, це і є та частка, яка практично не має кінетичної енергії. Це означає, що ми маємо частинку, яка є практично повністю нерухомою, яка стоїть на одному місці. Ось у нас загальний графік розподілу частинок. Аналогічним чином, ось у цій системі T2, в середньому, молекули відрізняються нижчою кінетичною енергією. Але тут цілком може бути одна частка, яка має дуже високу кінетичну енергію. Але більшість із них у середньому відрізняються нижчою енергією. Отже, якщо ми намалюємо графік розподілу для T2, то наша середня кінетична енергія буде нижчою, але графік при цьому, ймовірно, виглядатиме приблизно отак. Ні, не так. Ймовірно, він виглядатиме ось так. Або, можливо, ось так. Давайте спробуємо трохи інакше. Доведемо лінію ось сюди. Можливо, наш графік виглядатиме приблизно так. Отже, зверніть увагу – у Т1 є деякі молекули, які мають нижчу енергію, ніж середня кінетична енергія T2. Ось вони ці молекули. Ось ці повільні хлопці. І зверніть увагу – у Т2 є деякі молекули, які мають більш високу енергію, ніж середня кінетична енергія T1. Ось вони. Отже, є швидкі хлопці в T2, навіть незважаючи на те, що T2, скажімо так, "холодніше" і відрізняється нижчою середньою кінетичною енергією. Якщо подивитися на мікростан, ми побачимо окремі молекули, що рухаються досить швидко, та окремі молекули, які рухаються досить повільно. Отже, Максвелл сказав: «Гей, а що якби я мав, – звичайно, він при цьому не використовував слово «демон», але ми його вживаємо, тому що воно виглядає дуже цікавим і таємничим, але насправді таким не є - А що якби в мене був хтось, - давайте назвемо його демоном, - з невеликою лазівкою ось тут? Давайте я зроблю більш обережний малюнок. Отже, між цими двома системами… Припустимо, вони ізольовані. Допустимо, вони відокремлені один від одного. Ось T1 з безліччю частинок, що мають різну кінетичну енергію. А ось T2. Я роблю їх розділеними, і, можливо, вони з'єднані лише тут. T2. Ці хлопці мають повільнішу кінетичну енергію. І Максвелл, проводячи свій маленький уявний експеримент, сказав: "Уявіть, що в мене є хтось, завідувач однієї лазівкою - скажімо, ось цієї - і він її контролює". І завжди, коли реально швидка частка з T2, одна з цих, наближається до лазівки – летить до неї – припустимо, ось вона… І ця частка рухається дуже швидко. Вона має дуже високу кінетичну енергію та чудово підходить для нашої лазівки. І тут демон каже: «Гей, бачу цю штуку. Вона прямує до моєї лазівки». Демон збирається відкрити свій люк і дозволити цій частинці проникнути в T1. І коли демон відкриє свій люк, ця частка продовжить свій рух і опиниться у T1. Демон знову закриває люк: він хоче, щоб швидкі частинки перейшли з T2 до T1. Коли він бачить повільну частинку, що наближається до нього, одну з ось цих, він знову відкриває свою лазівку і дозволяє частинці проникнути всередину. Це відбувається приблизно так. І якщо так триватиме далі, то чим все закінчиться? Що ж, врешті-решт відбудеться поділ – і це може зайняти деякий час. Але поділ торкнеться всіх повільних частинок… Давайте це намалюю. Кордон у нас буде коричневий, тому що тепер не зовсім ясно, де що… чудово... Ми ще про це трохи поговоримо. Отже, ось кордон. А ось лазівка ​​у ній. Що ж станеться наприкінці? Всі швидкі частинки… деякі з них вже знаходилися у T1, так? Деякі швидкі частинки, які спочатку перебували в T1, будуть як і раніше по цей бік бар'єру. Давайте намалюємо це: головне – нічого не переплутати. Отже, тепер усі швидкі частинки з T2 також застрягнуть ось тут. Тому що, зрештою, всі вони наблизяться до нашої лазівки, якщо почекати досить довго. Таким чином, ось тут теж накопичиться безліч частинок, які спочатку перебували у Т2. Отже, у нас тут буде багато швидких частинок. Аналогічно, всі повільні частинки T2 залишаться з іншого боку. Ось вони ці повільні частинки. І демон впустить усі повільні частинки T1 – я навіть більше не називатиму їх частинками T1. Я називатиму їх частинками 1. Так ось, демон впустить частинки 1 ось сюди. Повільні частки 1. Отже, що тут сталося? Це було гаряче тіло, а ось це холодне. Згідно з другим законом термодинаміки, тепло має перейти звідси – сюди. При цьому температура має стати приблизно рівною. Тобто гаряче тіло має стати холоднішим, а холодне – гарячим. Температура стане усередненою. Але що зробив наш маленький демон? Він зробив гаряче тіло ще гаряче, га? Тепер середня кінетична енергія тут ще вище. Демон перемістив всі ці частинки з високою кінетичною енергією ось сюди, так що тепер цей графік виглядатиме… Приблизно так, якби ви перемістили всі ці частинки ось сюди… Графік розподілу тепер виглядатиме приблизно так… Спробуємо… Для Т1 він виглядатиме ось так. А щодо T2… демон забрав усі гарячі звідси та холодні з T1. Відповідно, ось ці хлопці зникнуть. Тут їх не буде. І він додав їх до T2. Отже, графік розподілу для T2 виглядатиме ось так, це ми зітремо, звичайно. Демон забрав цих хлопців із T2. Давайте зітремо все це. Це був старий графік розподілу для T1. Отже, графік розподілу T2 тепер виглядає приблизно так. А новий середній показник для T2, ймовірно, буде приблизно таким. Це моя нова системаТ2. І моя нова система T1 зрушить трохи праворуч. Середній показникбуде вищою. Отже, наш демон, зважаючи на все, порушив другий закон термодинаміки. Давайте обведемо все це. Мої маленькі діаграми накладаються одна на одну. Цей приклад показує, що гаряче тіло стало ще гаряче, а холодне ще холодніше. Отже, Максвелл ніби каже нам: «Та ми порушили другий закон термодинаміки». І вчені ламали голову над цим протягом багатьох років. Навіть у двадцятому столітті деякі продовжували замислюватися про те, що тут не так. А не так тут ось що… І я доведу вам це за допомогою математичних обчислень… Це практично аналогічно прикладу з холодильником. У нас є демон, що відкриває маленьку лазівку, коли це буде зручно. Ось він це демон. Коли швидкі частинки переходять звідси чи повільні – ось звідси… Щоб робити це правильно, він повинен відстежувати, де будуть усі частинки. Він повинен буде відстежувати усі частинки. А це не якісь макрочастки. Це мікромолекули чи атоми. Демон повинен буде враховувати електрони, які можна побачити лише за допомогою спеціального мікроскопа. І при цьому він повинен буде відстежувати ось це безліч часток. Тільки подумайте про це! Якщо у нього немає суперздібностей, у нього має бути крутий комп'ютер. Це має бути комп'ютер неймовірної потужності. Адже будь-який комп'ютер виробляє дуже багато тепла. Так ось, облік різних молекул для вимірювання швидкості їхнього руху теж вироблятиме тепло. Це буде дуже важка робота. Адже доведеться виміряти все! Демону доведеться серйозно попрацювати. Отже, відповідь полягає в тому, що... І це не так просто довести математично... Що якби ви дійсно хотіли створити подібного демона - і в сучасному світіви, мабуть, використали б для цього якийсь комп'ютер із різними датчиками, і дехто дійсно намагався зробити це на певному рівні… Так от, цей комп'ютер і вся його система створюватимуть велику ентропію – ось, ця дельта S. Він буде створювати більшу ентропію, ніж ентропія, що втрачається при охолодженні холодного боку та нагріванні гарячої. Отже, ми з демоном Максвеллом не зробили нічого певного. Я не довів це математично. Але демон Максвелла - це дуже цікавий уявний експеримент, оскільки він дає вам трохи ширше уявлення про різницю між макро-і мікростанами. А також про те, що відбувається на молекулярному рівні в плані температури, і про те, як можна зробити холодне тіло ще холоднішим, а гаряче – ще гарячим. Але наша відповідь зовсім не є парадоксальною. Коли ви думаєте про ентропію цілої системи, Ви повинні включати до її складу і самого демона. А якщо ви включите до складу системи самого демона, то він збільшуватиме ентропію щоразу, коли відкриватиме свою лазівку – щоб відкрити дверцята, потрібна певна енергія. Але при цьому демон створюватиме більшу ентропію, ніж ентропію, яка може бути втрачена, скажімо, коли одна з цих повільних частинок переходить ось на той бік бар'єру. Як би там не було, я просто хотів розповісти вам про це, тому що це справді цікавий уявний експеримент. До наступного ролика!

Суть феномена

У 2010 р. уявний експеримент насправді вдалося втілити фізикам з університетів Тюо (яп. 中央大学 ) та Токійського університету

У 2015 р. автономний штучний демон Максвелла був реалізований у вигляді одноелектронного транзистора із надпровідними алюмінієвими висновками. Такий пристрій дозволяє проводити велику кількість операцій виміру за малий проміжок часу.

Пояснення феномена Максвелла

Парадокс Максвелла вперше був дозволений Лео-Сілардом в 1929 р. на основі наступного аналізу.

Демон повинен скористатися будь-яким вимірювальним приладом для оцінки швидкостей молекул, наприклад, електричним ліхтариком. Тому треба розглянути ентропію системи, що складається з газу при постійній температурі T 0 , (\displaystyle T_(0),)демона і ліхтарика, що включає заряджену батарейку та електричну лампочку. Батарейка повинна нагрівати нитку лампи ліхтарика до високої температури T 1 > T 0 , (\displaystyle T_(1)>T_(0),)з метою отримання квантів світла з енергією ℏ ω 1 > T 0 (\displaystyle \hbar \omega _(1)>T_(0))для того, щоб кванти світла розпізнавались на тлі теплового випромінювання з температурою

За відсутності демона енергія E (\displaystyle E), що випромінюється лампочкою при температурі T 1 (\displaystyle T_(1))поглинається в газі за температури T 0 (\displaystyle T_(0))і загалом ентропія зростає: Δ S = E T 0 − E T 1 > 0 , (\displaystyle \Delta S=(\frac(E)(T_(0)))-(\frac(E)(T_(1)))>0,)так як ℏ ω 1 T 0 > 1 , (\displaystyle (\frac (\hbar \omega _(1))(T_(0)))>1,)а p Ω 0 ≪ 1. (\displaystyle (\frac (p)(\Omega _(0)))\ll 1.)

За наявності демона зміна ентропії: Δ S = ℏ ω 1 T 0 − p Ω 0 > 0. \Omega _(0)))>0.)Тут перший доданок означає збільшення ентропії при попаданні випромінюваного ліхтариком кванта світла в око демона, а друге доданок означає зменшення ентропії внаслідок зменшення статистичної ваги системи Ω 0 (\displaystyle \Omega _(0))на величину p , (\displaystyle p,)що призводить до зменшення ентропії на величину Δ S s = S 1 − S 0 = ln ⁡ (Ω 0 − p − ln ⁡ Ω 0 ≈ − p Ω 0 . (\displaystyle \Delta S_(s)=S_(1)-S_(0)=\ln (\Omega _(0)-p-\ln \Omega _(0)\approx -(\frac (p)(\Omega _(0))).)

Розглянемо цей процес докладніше. Нехай посудина з газом розділена на дві частини A (\displaystyle A)і B (\displaystyle B)з температурами T B > T A , T B − T A = T , T B = T 0 + 1 2 T , T A = T 0 − 1 2 T . (\displaystyle T_(B)>T_(A),\quad T_(B)-T_(A)=\Delta T,\quad T_(B)=T_(0)+(\frac(1)(2) )\Delta T,\quad T_(A)=T_(0)-(\frac (1)(2))\Delta T.)Припустимо, що демон вибирає молекулу, що швидко рухається, з кінетичною енергією. 3 2 T (1 + ϵ 1) (\displaystyle (\frac (3)(2))T(1+\epsilon _(1)))в області з низькою температурою A (\displaystyle A)і направляє їх у область B. (\Displaystyle B.)Після цього він вибирає молекулу, що повільно рухається, з кінетичною енергією. 3 2 T (1 − ϵ 2) (\displaystyle (\frac (3)(2))T(1-\epsilon _(2)))в області з високою температурою B (\displaystyle B)і направляє їх у область A. (\displaystyle A.)

Для того, щоб попередньо вибрати ці дві молекули, демону потрібно щонайменше два світлові кванти, які приведуть при попаданні в його око до збільшення ентропії Δ S d = 2 ℏ ω 1 T 0 > 2.

Обмін молекулами призведе до зменшення повної ентропії Δ S m = Δ Q (1 T B − 1 T A) − − Δ Q Δ T T 2 = − 3 2 (ϵ 1 + ϵ 2) Δ T T . (\displaystyle \Delta S_(m)=\Delta Q\left((\frac(1)(T_(B)))-(\frac(1)(T_(A)))\right)\approx -\ Delta Q(\frac (\Delta T)(T^(2)))=-(\frac (3)(2))\left(\epsilon (1)+\epsilon _(2)\right)(\ frac (\Delta T)(T)).)Величини ϵ 1 (\displaystyle \epsilon (1))і ϵ 2 , (\displaystyle \epsilon (2),)найімовірніше, малі, Δ T ≪ T (\displaystyle \Delta T\ll T)і тому Δ S m = − 3 2 ν , ν ≪ 1. (\displaystyle \Delta S_(m)=-(\frac (3)(2))\nu ,\quad \nu \ll 1.)

Таким чином, повна зміна ентропії буде Δ S = Δ S d + Δ S m = 2 ℏ ω 1 T 0 − 3 2 ν > 0. \hbar \omega _(1))(T_(0)))-(\frac (3)(2))\nu >0.)

Температура демона може бути і набагато нижчою за температуру газу T d ≪ T 0 . (\displaystyle T_(d)\ll T_(0).)При цьому він може приймати кванти світла з енергією. ℏ ω (\displaystyle \hbar \omega ), що випускаються молекулами газу при температурі T0. (\displaystyle T_(0).)Тоді наведені вище міркування можна повторити із заміною умов T 1 > T 0 , ℏ ω 1 > T 0 (\displaystyle T_(1)>T_(0),\quad \hbar \omega _(1)>T_(0))на умови T 2< T 0 , ℏ ω 1 >T 2 . (\displaystyle T_(2) T_(2).)

У популярній культурі

У художній літературі

• У повісті «Понеділок починається в суботу» братів Стругацьких демони Максвелла пристосовані адміністрацією НІІЧАВО відкривати та закривати вхідні дверіінституту.
• В оповіданні Сергія Снігова «Право на пошук» одного з героїв називали «Володарем Демонів Максвела» «…чому я ношу дивну прізвисько Володар Демонів? Я, звичайно, поправив: не Король Демонов взагалі, а Король Демонов Максвелла ... Мені вдалося реально здійснити геніальну ідеюМаксвелла».
• У «Кіберіаді» Станіслава Лема демон Максвелла згадується як «демон першого роду». Герої книги створюють «демона другого роду», здатного отримувати осмислену інформацію з руху молекул повітря.

Думковий експеримент полягає в наступному: припустимо, посудина з газом розділена непроникною перегородкою на дві частини: праву та ліву. У перегородці отвір з пристроєм (так званий демон Максвелла), який дозволяє пролітати швидким (гарячим) молекул газу тільки з лівої частини судини в праву, а повільним (холодним) молекул - тільки з правої частини судини в ліву. Тоді, через великий проміжок часу, «гарячі» (швидкі) молекули опиняться правому посуді, а «холодні» — «залишаться» у лівому.

Таким чином, виходить, що демон Максвелла дозволяє нагріти праву частинусудини та охолодити ліву без додаткового підведення енергії до системи. Ентропія для системи, що складається з правої та лівої частини судини, початковому станібільше, ніж у кінцевому, що суперечить термодинамічному принципу невтрати ентропії в замкнутих системах (див. Другий початок термодинаміки)

Парадокс дозволяється, якщо розглянути замкнуту систему, що включає демона Максвелла і посудину. Для функціонування демона Максвелла необхідна передача енергії від стороннього джерела. За рахунок цієї енергії проводиться поділ гарячих і холодних молекул у посудині, тобто перехід у стан з меншою ентропією. Детальний розбір парадоксу для механічної реалізації демона (хроповик і собачка) наведено у Фейнманівських лекціях з фізики, вип. 4, а також у популярних лекціях Фейнмана «Характер фізичних законів».

З розвитком теорії інформації було встановлено, що процес вимірювання може призводити до збільшення ентропії за умови, що він є термодинамічно оборотним. Однак у цьому випадку демон повинен запам'ятовувати результати вимірювання швидкостей (прання їх із пам'яті демона робить процес незворотним). Оскільки пам'ять кінцева, у певний момент демон змушений прати старі результати, що й призводить до збільшення ентропії всієї системи загалом.

Успіх японських фізиків

Японські фізики вперше змогли в експерименті досягти збільшення внутрішньої енергіїсистеми, використовуючи лише інформацію про її стан та не передаючи їй додаткової енергії.
Отримання енергії з інформації вперше теоретично описав британський фізик Джеймс Максвелл у своєму експерименті. У ньому якась істота, пізніше названа "демоном Максвелла", охороняла двері між двома кімнатами. Демон, знаючи енергію молекули, що наближається до дверей, відкриває прохід тільки для "швидких" молекул, закриваючи двері перед "повільними". В результаті в одній кімнаті виявляться всі "швидкі" молекули, а в іншій повільні, і різницю температур, що виникла, можна використовувати в практичних цілях.
Втілення такої "демонічної" енергоустановки вимагає набагато більших енергетичних витрат, ніж можна витягти з різниці температур, що утворюється, тому реальні двигуни, що працюють за таким принципом, ніколи всерйоз не розглядалися вченими. Однак інтерес до подібних систем знову виник у Останнім часоміз розвитком нанотехнологій.
Автори дослідження, японські фізики, очолювані Масакі Сано (Masaki Sano) з Токійського університету втілили на практиці уявний експеримент за участю "демона Максвелла".
Вчені використовували в роботі полімерний об'єкт розміром близько 300 нанометрів, що нагадує намистину. Її форма підібрана так, що обертатися за годинниковою стрілкою їй енергетично вигідніше, оскільки це супроводжується вивільненням механічної енергії. Обертання проти годинникової стрілки, навпаки, призводить до "закручування" намистини та збільшення запасеної їй механічної енергії.
Бусину помістили у спеціальний розчин, і вона через свої малі розміри починала брати участь у броунівському русі та обертатися – як за годинниковою стрілкою, так і проти.
Дослідники за допомогою спеціального обладнання відстежували кожен поворот намистини, і коли вона оберталася проти годинникової стрілки, прикладали електричну напругу до ємності, в якій вона знаходилася. Така операція не передавала системі додаткову енергію, але при цьому не давала намист "розкручуватися" назад. Таким чином, використовуючи лише інформацію про те, куди перекинулась намистина, вчені змогли збільшити запас її механічної енергії лише за рахунок енергії броунівського руху молекул.
Закон збереження енергії у своїй не порушується. Згідно з розрахунками Сано, ефективність перетворення інформації в енергію в їхньому експерименті склала 28%, що узгоджується з теоретичними розрахунками.
Такий механізм може використовуватися для роботи наномашин або молекулярних механізмів, вважає Владко Ведрал (Vlatko Vedral), фізик з Оксфордського університету, який не брав участі в експерименті Сано, думку якого наводить інтернет-видання Nature News.
"Дуже цікаво було б виявити використання цього принципу передачі енергії в живих системах", - додав учений.

Відповідає ведучий науковий співробітниклабораторії квантової теорії інформації МФТІ та Інституту теоретичної фізики імені Л.Д. Ландау РАН Гордій Лісовик:

— Згідно з одним із формулювань другого закону термодинаміки тепло переходить від гарячого тіла до холодного. Це звичайне та всім зрозуміле явище. Але якщо запустити в замкнуту систему Демона Максвелла (вважається, що він підвищує рівень упорядкованості в системі), то він здатний порушити природний порядок речей, і усунути безлад, якщо хочете. Він відображатиме високоенергійні атоми або молекули, змінюватиме потоки і тим самим запускатиме зовсім інші процеси всередині системи. Аналогічний процес можна здійснити за допомогою квантового пристрою.

Схематичне зображення демона Максвелла. Фото: Commons.wikimedia.org

Ми показали, що хоча квантова механіка загалом саме забезпечує цей самий класичний законтермодинаміки та забезпечує природний порядок речей, але штучно можна створити такі умови, за яких цей процес може бути порушений. Тобто тепер квантовий Демон Максвелла, простіше кажучи, штучний атом (його прийнято називати кубіт, тобто квантовий біт) здатний зробити так, щоб тепло від холодного передавалося до гарячого об'єкта, а не навпаки. Це і є головна новина в нашій роботі.

Найближчим часом ми плануємо створювати квантовий холодильник, в якому експериментальним шляхом запускатимемо природні потоки тепла назад. При цьому наш суперхолодильник буде здатний не сам витрачати енергію на перетворення, а (у певному сенсі) витягувати її з джерела, яке може бути розташоване за кілька метрів від нього. З цієї точки зору, наш квантовий холодильник буде (локально) абсолютно енергоефективним. Щоб уникнути непорозумінь, важливо наголосити, що при обліку віддаленого джерела енергії справедливість другого закону термодинаміки відновлюється, і світопорядок загалом порушений не буде.

Що ж до галузі застосування квантового Демона Максвелла, тобто. нашого пристрою, то перш за все це, звичайно, область квантової механіки. Ну, наприклад, звичайний комп'ютер при роботі часто нагрівається, те саме відбувається і з квантовими пристроями, тільки там ці процеси ще критичніші для нормальної роботи. Ми зможемо охолоджувати їх чи якісь окремі мікрочіпи. Зараз ми вчимося робити це з близькою до 100% ефективності.

Ну і, звичайно, такі експерименти дозволять у майбутньому говорити про створення вічного двигунадругого типу. Жодних батарейок не потрібно, двигун зможе витягувати енергію з найближчого теплового резервуара і за допомогою нього переміщати якісь наноустрою.

Вічний двигун другого роду - машина, яка, будучи пущена в хід, перетворювала б на роботу все тепло, що витягується з навколишніх тіл. За законами термодинаміки досі вважається нездійсненною ідеєю.

Демон Максвелла, квантовий демон

Маячна ідея Джемса Максвелла, коли він у 1867 р. придумав силу, здатну звертати час, описувала усвідомлення «демона», який міг скасовувати закон ентропії, простежуючи дрібні рухи молекул газу. Таким шляхом демон був здатний, принаймні, у фантазії Максвелла, звертати назад збільшення безладдя у замкнутих системах.

Докладніше про усвідомлення демона

Уявний демон Максвелла був у закритому ящику і звертав назад потік молекул, відтворюючи деградуючий порядок. Нижче ви бачите усміхнену пику, яка зображує цього демона.

(Підпис під малюнком: Демон у ящику з молекулами)

Демон, прототип свідомості в матерії, помічає те, що відбувається, і керує ним, здійснюючи особливі вибори. Він утримує гарячий матеріал на одній стороні ящика, а холодніший матеріал - на іншій, так що первісна «упорядкованість» (гарячого та холодного) не деградує. Демон влаштовує все так, що в замкнутій системі енергія не повинна стати менш доступною, або інформація - губитися. Використовуючи усвідомлення, щоб відкривати і закривати перегородку, що розділяє два обсяги газу в контейнері, демон звертає назад другий закон термодинаміки. Досі ще нікому не вдалося знайти такого демона чи створити його у загальноприйнятій реальності.

І все ж фантазія Максвелла може бути вірнішою, ніж він сам розумів. Мені здається, що він міг проектувати нашу здатність до усвідомленості, нашу здатність помічати наноскопічні події або загравання. Це квантове усвідомлення, що майже не піддається виміру, є здатністю усвідомлення, яка може здійснювати вибори в країні мрій.

Демон Максвелла насправді є потенційним героєм психотерапії, бо це та частина нас, яка відновлює порядок, бачачи патерни там, де колишні патерни були втрачені (забуті, витіснені, ігноровані, маргіналізовані тощо). На мій погляд, другий закон термодинаміки – це проекція типового способу життя у загальноприйнятій реальності, який використовує мінімум усвідомлення. Демон Максвелла - це уявлення нашого ясного усвідомлення, що діє на субатомних рівнях нанособутків, що не піддаються виміру, і здатного, щонайменше, полегшувати відчуття старіння.

Психологічний принцип, проектований на демона Максвелла такий:

Бачення порядку, прихованого безладно загальноприйнятої реальності, створює більше доступної енергії.

Ігнорування або навіть придушення ледь уловимих сигналів симптому пригнічує та спустошує. Визнання симптомів як «дзвінків», що закликають до уваги, дозволяє вам створювати порядок з безладдя і взагалі дає вам більше енергії для роботи. Маргіналізація досвіду змушує вас почуватися подібно до занепаду всесвіту.

Я називаю демона Максвелла свого роду «квантовим демоном усвідомлення», ясним променем свідомості, який простежує рухи атомів і молекул, як і субатомні події. За життя Максвелла квантова механіка ще не була винайдена. Він ще не знав про хвильові функції; їм належало з'явитися на п'ятдесят років пізніше. Але якби він жив сьогодні, то, безумовно, зацікавився б різновидом усвідомлення, здатного помічати і відслідковувати ледь уловлені тенденції, квантові хвилі країни мрій, і керівництво, яке вони нам дають. Як я собі уявляю, він би сказав, що ігнорування всіх ледве вловимих почуттів, що мерехтять у нашому усвідомленні, сприяє спустошенню і змушує нас почуватися старшим, ніж ми є насправді.

Наступна вправа дає вам шанс відкрити для себе і випробувати здатність демона збільшувати кількість доступної вам фізичної енергії. Ми особливо зосереджуватимемося на «закритих» областях вашого життя.

Вправа в усвідомленні негентропії

1. Влаштуйтеся зручніше і подумайте, що ви відчуваєте щодо старіння. Що вам у ньому подобається? Що не подобається?

Наприклад, багатьом людям подобається можливість реалізації свого потенціалу, але не подобається втрата енергії та того, що вони називають «привабливістю». У деяких виникає думка, що життя добігає кінця.

2. Коли ви будете готові, пошукайте навколо чогось, що можна підняти чи штовхнути. Якщо ви стоїте в кімнаті, підніміть стілець або відштовхніться від однієї зі стін і подивіться, скільки у вас є доступної енергії. Піднімаючи чи штовхаючи, запитайте себе: «Яка частина моєї енергії зараз мені доступна?». Запишіть цю кількість енергії. Скільки це – 85%, 50% чи 15%? Наскільки старим ви почуваєтеся?

Наприклад, коли я сьогодні піднімав стілець, він здавався важчим, ніж маю бути. Я сказав би, що мені доступно приблизно 50% моєї енергії.

3. Кількість доступної або ізометричної енергії, яка у вас є, дуже залежить від вашого відчуття порядку всередині себе. Тому тепер подумайте про одну сферу свого життя, яка здається «невпорядкованою». Якщо можливо, виберіть нову область, а не взаємини чи тілесні симптоми, оскільки ми вже працювали над ними до цього.

Наприклад, вам можуть здаватися невпорядкованими ваша робота, ваші фінанси, або, скажімо, звалище на вашому письмовому столі або те, як ви використовуєте свій час. Можливо, «безладним» є ваше ставлення до критики.

Не пропускайте з уваги ігнорованіобласті вашого життя, які потребують порядку. Якщо таких областей багато, виберіть поки що тільки одну - підійде будь-яка. Як вам вдається уникати цієї галузі? У якому сенсі ця сфера є «закритою»? Ви уникаєте питань, пов'язаних із цією областю, чи «забуваєте» про них? Як ви забуваєте про ці питання? Чи намагаєтесь ви більше спати, чи просто скаржитесь на них? Чи викидаєте ви їх із голови? Чи дивитеся телевізор чи йдете в кіно, замість того, щоб наводити порядок у цій галузі?

4. Тепер, думаючи про цю невпорядковану область, уявіть собі, у якого роду «просторі» вона знаходиться. Які кольори та рухи мають місце в цьому просторі? Опишіть своїми словами характеристики простору, що містить у собі цю невпорядковану сферу життя.

Наприклад, чи виглядає воно сірим чи каламутним? Що обертається і перемішується?

Чи не можете ви визначити якесь місце поза вашим тілом, де могла б знаходитися ця «невпорядкована область», де розташовувався б цей простір? (Наприклад, перед вами, позаду вас, і т. д.). Намалюйте цю невпорядковану область поряд зі своїм тілом.

(Написи на малюнку, зверху вниз: У фінансах повний хаос, великі грозові хмари, ох, моя бідна голова! Невпорядкована область впливає на голову)

На малюнку невпорядкована область пов'язана з фінансами і здається над головою.

Як почувається частина вашого тіла, що знаходиться найближче до цього простору? Чи є у вас тілесні симптоми поблизу цієї галузі? Виберіть для роботи тілесний симптом або один із симптомів, скажімо той, на який ви звертали найменше уваги. Чи не пов'язаний цей симптом із вашим відчуттям старіння?

5. Зосередьтеся на симптомі в цій галузі тіла та виявіть два його аспекти. Наприклад, подивіться, чи можете ви сформувати образ енергії, яка, як ви підозрюєте чи уявляєте, викликає цей симптом, а потім зробити те саме для приймача цієї енергії або дії. Іншими словами, уявіть собі, так би мовити, «творця симптому» та «отримувача симптому».

Один із способів уявити ці дві фігури полягає в тому, щоб якомога сильніше відчути всимптом, або уявити, що ви в нього відчуваєте. Потім перебільшіть це почуття, посиливши його інтенсивність. Використовуючи свою увагу, залишайтеся з цим почуттям, доки не виникне постать, яка б втілювати подібну інтенсивність.

Наприклад, якби у вас була у вас стукає головний біль, Ви могли б підкреслювати відчуття цього стуку, поки б не з'явилися сердита постать, що стукає по столу, і чутлива постать (скажімо, сам стіл), яку поранить цей стукіт.

Намагайтеся дізнатися послання, яке виражає кожна фігура.

Наприклад, сердита постать, можливо каже: «Мені доводиться пробивати собі шлях через речі», тоді як інша каже: «Будь ласка, не роби так, це занадто грубо, і завдає мені болю!»

6. Уявіть ці дві фігури, одну страждаючу і іншу створює симптом. Навіть намалюйте їх. Потім дозвольте своїй уяві спонтанно створити істоту, чиє усвідомлення виходить на сцену і вирішує конфлікт між цими двома енергіями. Наприклад, уявіть собі вмілого посередника, джина, духу, персонажа мультфільму - когось, здатного мати справу з обома енергіями. Опишіть його. Намалюйте його.

Наприклад, в однієї з моїх читачок був конфлікт між її мирською амбітністю та тією її частиною, яку обтяжувало це честолюбство. На свій подив, вона побачила священика, який допоміг їй у вирішенні конфлікту між цими двома енергіями. Нижче я спробував намалювати всі три фігури.

Священик благословив обидві частини, і вони пом'якшилися.

(Підписи під малюнками, зліва направо: Частина, яка тяжіла; Дух-помічник; Амбітна частина)

Якоїсь миті ви могли б спробувати стати вашим духом-помічником, вашим демоном квантового усвідомлення. Увійдіть в психологічно закриту систему свого тіла, що сновидить, і втрутиться; полегшіть вирішення конфлікту між двома частинами цієї симптомної області.

Уявіть собі результуючу історію. Дозвольте квантовому демону втрутитися в магічний спосіб і знайти рішення.

Читачка, чиї симптоми частинам не вистачало Бога, якого представляв священик. Спочатку читачка соромилася ототожнюватися зі священиком, доки зрозуміла, що у певному сенсі, вже присвятила своє життя «божественному».

7. Використовуйте своє дихання, щоб зосередитися на почутті цього розв'язання конфлікту, і, якщо можливо, відчуйте полегшення в симптомній області.

8. Уявіть собі, як можна було б використовувати це рішення в невпорядкованій галузі життя, з якої ви починали цю вправу. Згадайте початкове безладдя - його простір, кольори і рухи - і позначте (а ще краще - намалюйте), як перетворилася ця область. Не «працюйте» над цим, просто дозвольте всьому відбуватися всередині, доки не настануть зміни на краще.

9. Нарешті, поверніться до стіни або стільця і, дотримуючись обережності, знову подивіться, яка дія ця робота, можливо, справила ваше відчуття енергії, доступної для того, щоб робити те, що вам потрібно в житті. Які зміни у своїй доступній енергії ви помічаєте?

З книги Гіперборейське вчення автора Татищев Б Ю

3.3. Демон ДЕГЕНЕРАЦІЇ. Що таке «механізми дегенерації»? За відповіддю спочатку давайте звернемося до талановитої та чесної книги колишнього лідера№2 політичної течії «західного» сіонізму, учня професора-психіатра Цезаре Ломброзо, доктора Макса

З книги Вчення Храму. Настанови Вчителя Білого Братства. Частина 2 автора Самохіна Н.

ДЕМОН ЖОДНОСТІ Мандрівник з великою душею зупинився на своєму шляху через пустелю швидкоплинного життя, коли побачив уклінну жінку, що молитовно склала руки на грудях, що спрямувала до нього погляд, з вуст якої зривалися благання про прощення і відпущення гріха. Слухаючи

З книги Я і Мій Великий Космос автора Клімкевич Світлана Титівна

Квантовий стрибок 589 = Людина несе у собі творчу енергію Бога - Любов = 592 = Велике духовне пробудження - Знак Космічних циклів = "Числові коди". Книга 2. Крайон Ієрархія 27 01.2012 «Простір Часу – Час Простору…» – слова при пробудженні.

З книги Квантова магія автора Доронін Сергій Іванович

4.1. Квантовий процесор

автора Гардінер Філіп

Квантовий світ Мене надихає думка, що у Всесвіті (від мікро- до макрорівня, від космічного пересування планет до взаємодії електронів, від мікроскопічного діоксиду кремнію до створеної людиною єгипетської піраміди) закладено універсальна модель, не

З книги Ворота до інших світів автора Гардінер Філіп

Квантовий бог Під час роботи над цією книгою я дозволив собі один день відпочинку від квантової фізикиі поїхав у Лічфілд, до графства Стаффордшир. Я чудово провів час у красивому, сповненому почуття езотеричного Лічфілдського собору, розглядаючи його дивовижний фасад

Із книги XX століття. Хроніка незрозумілого. Феномен за феноменом автора Прийма Олексій

ДЕМОН, що вискочив з рота Тепер перейдемо до іншої надзвичайної історії. Вона сталася з екстрасенсом і ясновидячою Тетяною Махотіною. Тетяну я знаю давно, вона дуже чесна людина, і через це я ручаюся за достовірність її розповіді. У липні 1995 року Махотіну автора Мінделл Арнольд

З книги Сила безмовності автора Мінделл Арнольд

Додаток III. УМИ: Квантовий розум На наступних сторінках я резюмую деякі з багатьох значень, які я пов'язую з терміном «квантовий розум».

З книги Кінця світу не було і не буде автора Гусєв Анатолій Іванович

Костлявий демон В 1999 група англійських палеонтологів працювала в районі містечка Уулах в монгольській пустелі Гобі. Їхньою метою було дослідження цвинтаря динозаврів у важкодоступній гірській ущелині. Від місцевих жителіввченим довелося чути легенду про те, що живе в ущелині

автора Автор невідомий

Цікава повість про те, як демон на ім'я Раш прийшов у монастир на службу найматися. Був в одній заморській країні монастир. Стояв він на узліссі великого лісу, щоб святі брати не відволікалися від служіння Всевишньому і вдень і вночі молили Його за засновників і

З книги Історія брата Раша автора Автор невідомий

Про те, як демон на ім'я Раш прийшов у будинок до шляхетної дами і таємно привів її до свого господаря - Привіт тобі, прекрасна добра пані, найкрасивіша з усіх, хто живе. Мій господар посилає тобі своє привітання і просить, щоб ти прийшла з ним поговорити. Запитує його

Із книги Таємниці мозку. Чому ми в усі віримо автора Шермер Майкл