• Sunday July 21,2019

Menggunakan Maklumat untuk Mengekstrak Tenaga

Anonim

Terdapat beberapa kegembiraan minggu lalu mengenai percubaan jenis Maxwell's-Demon yang dikendalikan oleh Shoichi Toyabe dan kolaborator di Jepun. (Artikel Fizik Alam yang bernilai di sini; versi arxiv percuma di sini.) Ini hasil yang hebat, bernilai membuat keributan. Tetapi beberapa pengulas berputar-putarnya sebagai "menukar maklumat menjadi tenaga." Itu tidak betul - ia lebih seperti "menggunakan maklumat untuk mengeluarkan tenaga daripada mandi haba."

Katakan anda mempunyai kotak gas dengan suhu tertentu pada entropi maksimum - keseimbangan termodinamik. Iaitu, gas tersebar dengan lancar di seluruh kotak. (Kita boleh mengabaikan graviti dengan selamat.) Terdapat tenaga yang ada di sana, tetapi ia tidak begitu berguna. Sesungguhnya, satu cara memikirkan entropi adalah sebagai ukuran bagaimana tidak berguna tenaga tertentu. Sekiranya kita mempunyai konfigurasi entropi yang rendah, kita boleh mengeluarkan hasil yang berguna dari tenaga di dalam, seperti menolak omboh. Jika kita mempunyai konfigurasi entropi tinggi, tenaga tidak berguna; ada apa-apa yang boleh kita lakukan untuk mengekstraknya secara konsisten.

Berikut adalah contoh dari buku saya. Pertimbangkan dua piston dengan jumlah zarah gas yang sama di dalam, dengan jumlah tenaga yang sama. Tetapi bekas atas berada dalam keadaan entropi rendah dengan semua gas di satu sisi omboh; bekas bawah berada dalam keadaan entropi tinggi dengan gas yang sama rata.

Anda melihat perbezaannya - dari konfigurasi teratas kita dapat mengekstrak kerja yang berguna dengan hanya membenarkan omboh berkembang. Dalam proses ini, jumlah tenaga gas turun (ia menyejuk). Tetapi di piston bawah, tiada apa yang akan berlaku. Terdapat banyak tenaga di dalamnya, tetapi kita tidak boleh mengeluarkannya kerana ia berada dalam keadaan entropi tinggi.

Pada tahun 1929, Leó Szilárd menggunakan persediaan yang sama untuk mewujudkan hasil yang menakjubkan: hubungan antara tenaga dan maklumat. Sambungan bukanlah "maklumat membawa tenaga"; jika saya memberitahu anda beberapa maklumat tentang zarah gas di dalam kotak, yang tidak mengubah jumlah tenaga mereka. Tetapi ia membantu anda mengekstrak tenaga itu. Secara berkesan, pembelajaran lebih banyak maklumat merendahkan entropi gas. Itu pernyataan longgar-goosey, kerana terdapat lebih daripada satu cara untuk menentukan "entropi"; tetapi satu definisi yang munasabah ialah entropi adalah ukuran maklumat yang anda tidak mempunyai sistem. (Di omboh di atas, kita tahu lebih banyak mengenai gas dalam persediaan entropi rendah, kerana kita mempunyai idea yang lebih baik di mana ia disetempatkan.)

Ini fizik, terdapat persamaan. Szilárd menunjukkan bahawa, jika anda mempunyai sedikit maklumat tentang sistem, anda boleh menggunakannya untuk mengekstrak jumlah tenaga yang diberikan oleh

[lateks] E = (log 2) kT. [/ lateks]
Di sini, k ialah pemalar Boltzmann, dan T ialah suhu sistem. Suhu itu penting; di mana tenaga sebenarnya berasal dari, bukan dari "maklumat" (dan suhu akan turun ketika anda mengeluarkan tenaga).

Ide ini dipanggil Enjin Szilárd, dan cantik dalam kesederhanaannya. Sebagai ahli fizik, seseorang sentiasa mencari lembu sfera. Dalam kes ini, ia 'a kotak gas dengan hanya satu zarah, bergerak dalam satu dimensi. (Dalam eksperimen sebenar, mereka menggunakan pengetahuan tentang kedudukan partikel untuk membuatnya naik tangga.)

Sama dengan "entropi maksimum" di sini adalah "kita tidak tahu di mana zarah itu." Terdapat tenaga di dalam kotak, sama dengan kT / 2, tetapi kita tidak boleh mengeluarkannya.

Tetapi kini bayangkan bahawa seseorang memberi kita sedikit maklumat: mereka memberitahu kami bahagian mana kotak zarah itu sedang dihidupkan. Sekarang kita boleh mendapatkan tenaga! Apa yang perlu kita lakukan ialah tunggu sehingga zarah berada di sebelah kiri kotak, dan cepat tergelincir di omboh kami keluar dengan betul:

Zarah kini akan bertemu dengan omboh, mendorongnya ke kanan, membolehkan kita bekerja berguna, seperti mengangkat baldi yang sangat kecil atau sesuatu. Dalam proses ini beberapa tenaga zarah dipindahkan ke omboh, jadi kita telah mengeluarkan tenaga dari kotak itu. Perhatikan bahawa kita tidak dapat melakukan ini jika kita tidak diberi maklumat itu - tanpa mengetahui di mana zarah itu, omboh kita akan kehilangan tenaga secara purata sekerap tenaga yang diperoleh, jadi kita tidak dapat melakukannya apa-apa kerja yang berguna.

Percubaan pemikiran cerdas ini melancarkan seluruh bidang penyelidikan, menyambungkan maklumat kepada tenaga. "Maklumat adalah fizikal, " motto kini berlaku. Ia menyeronokkan untuk melihat (versi) enjin Szilárd sebenarnya dibuat di makmal.


Artikel Yang Menarik

Helene Mencapai Cat III;  Selamat tinggal saya ke Seattle

Helene Mencapai Cat III; Selamat tinggal saya ke Seattle

Helene menjadi neraka ribut. Lihatlah betapa jelasnya mata itu. Perhatikan juga bahawa ribut mengambil kira kira-kira 5 darjah dengan 5 darjah lintang / dataran bujur. Itu besar . Angin kekuatan taufan melebar ke luar 50 kilometer dari pusat. Semua ini bermakna jika Helene menjejaki ke arah Bermuda, ia boleh menyebabkan lebih banyak masalah daripada Florence

NCBI ROFL: Jaga jari anda menyeberang !: bagaimana tahayul meningkatkan prestasi.

NCBI ROFL: Jaga jari anda menyeberang !: bagaimana tahayul meningkatkan prestasi.

"Takhayul biasanya dilihat sebagai ciptaan tidak masuk akal minda yang tidak rasional. Walau bagaimanapun, ramai orang bergantung kepada pemikiran dan amalan takhayul dalam rutin harian mereka untuk mendapatkan nasib baik. Setakat ini, sedikit yang diketahui tentang akibat dan potensi faedah takhayul sedemikian

Teleskop Baru Boleh Mendedahkan Bimetal yang Dibungkus Dengan Planet yang Boleh Diubati

Teleskop Baru Boleh Mendedahkan Bimetal yang Dibungkus Dengan Planet yang Boleh Diubati

Walaupun ahli astronomi telah menemui lebih daripada 300 planet di luar sistem suria kami dalam tempoh 15 tahun yang lalu, tidak ada "exoplanet" yang menjadi calon untuk kehidupan luar angkasa. Exoplanet yang ditemui setakat ini sama ada terlalu dekat dengan matahari panas atau terlalu jauh dan oleh itu terlalu dingin untuk menjadi tuan rumah kehidupan seperti yang kita tahu

NCBI ROFL: Pembunuhan: penyesuaian evolusi?

NCBI ROFL: Pembunuhan: penyesuaian evolusi?

Kesan homicidol: menyiasat pembunuhan sebagai isyarat kecergasan. "Artikel ini memanjangkan teori penyesuaian pembunuhan dengan menyiasat kesan isyarat pembunuhan. Dalam dua eksperimen (N = 299 dan N = 161) peserta melaporkan persepsi mereka tentang orang yang digambarkan. Kajian pertama memanipulasi maklumat tentang orang itu (termasuk atau tidak termasuk satu ayat yang menyatakan bahawa orang itu telah melakukan pembunuhan) dan orang rangsangan / perlawanan seks pemerhati (sama berbanding lawan jenis)

Mengapa lebih ramai ahli akademik blog (cuz anda boleh!)

Mengapa lebih ramai ahli akademik blog (cuz anda boleh!)

Ramai orang telah bercakap mengenai bahagian Patrick Dunleavy dan Chris Gilson mengenai mengapa ahli akademik blog. Pada pandangan saya sendiri, ia adalah sedikit hiperbolik, tidak semua orang adalah sama, sama ada dalam perbezaan antara individu dalam sifat, atau titik keadaan di mana seseorang berada dalam kerjaya mereka (misalnya, jika anda seorang pelajar siswazah atau postdoc maka sikap bos / mentor anda banyak perkara)

Pertempuran Roti: Industri Putih atau Artisanal Biji-Bijian?

Pertempuran Roti: Industri Putih atau Artisanal Biji-Bijian?

Apa pilihan yang lebih sihat untuk sandwic: roti putih yang diproses secara industri, atau roti bijirin penuh artisanal? Bagi mereka yang mencari jawapan yang jelas, hitam dan putih untuk membakar soalan seperti ini, kami memohon maaf terlebih dahulu. Jawapannya adalah kedua-duanya; ia hanya bergantung pada siapa yang memakannya