| | 17 февраля 2016 | Новости науки и техники
Ученые-физики создали первый фотонный вариант «демона Максвелла»
Демон Максвелла представляет собой гипотетическое явление, которое нарушает второй закон термодинамики и при помощи которого в теории можно получить некоторое количество энергии из системы, находящейся в термодинамическом равновесии. Эта теория была предложена в 1867 году Джеймсом Клерком Максвеллом (James Clerk Maxwell) и с того момента она была достаточно хорошо изучена учеными-физиками. Однако, большинство из исследований демона Максвелла были теоретическими изысканиями, ученым удалось провести лишь малое количество экспериментов, касающихся данного явления на практике.
Недавно группа физиков из Оксфордского университета объявила о том, что им удалось воссоздать первое фотонное воплощение демона Максвелла. Измерения, произведенные при помощи двух лучей света, позволяют создать энергетический дисбаланс, который является источником энергии, за счет которой может быть выполнена некая работа. И самым интересным является то, что этой работой в данном случае может являться процесс зарядки аккумуляторных батарей.
В оригинальной теории демон Максвелла находится между двумя емкостями, заполненными газом. Средняя тепловая энергия (скорость движения молекул) газа в двух емкостях равна. Но демон «приоткрывает дверь» между емкостями, позволяя частицам с более высокой энергией проникать из одной емкости в другую естественным образом. А в обратном направлении гипотетическая мембрана демона пропускает лишь частицы с низкой энергией. Через некоторое время высокоэнергетические частицы скапливаются в одной емкости, а низкоэнергетические — в другой, возникает энергетический дисбаланс, который в газовой системе проявляется в виде разницы давления, которую можно использовать для извлечения энергии. В результате получается, что можно извлечь энергию и произвести работу за счет системы, которая изначально находилась в термодинамическом равновесии, что является прямым нарушением второго закона термодинамики.
В фотонной версии демона Максвелла физики заменили емкости с газом двумя импульсами света. В качестве демона Максвелла выступает система фотодатчиков и специальных оптических компонентов, которая отклоняет более высокоэнергетический луч в одном направлении и менее энергетический — в другом. Эти два луча попадают на раздельные фотодиоды, вырабатывающие электрический ток, который течет в электрический конденсатор в противоположном направлении от каждого фотодиода. Если количество энергии в каждом луче равно, то токи взаимно компенсировали бы друг друга, но в случае наличия энергетического дисбаланса между двумя лучами этот дисбаланс превращается в электрический ток, заряжающий конденсатор.
В своих экспериментах ученые не стремились добиться получения максимального количества энергии от данного явления, однако, у такого фотонного варианта демона Максвелла имеется практическое применение в разработке новых высокоэффективных технологий превращения энергии солнечного света в электрическую энергию. Кроме этого данная теория может оказать влияние и на некоторые другие, не связанные на первый взгляд с термодинамикой, области. «Сейчас мы начали думать об использования в будущих экспериментах некоторых явлений, таких, как квантовая запутанность» — пишут исследователи, — «Это позволит нам выявить взаимосвязь между явлениями квантового мира и термодинамикой, и эти взаимосвязи позже можно будет использовать в различных квантовых информационных технологиях».
