[ad_1]

با اجازه از کوانتوم وبلاگ انتزاع مجله.

آزمایش فکری خاردار به یک آزمایش واقعی تبدیل شده است – آزمایشی که فیزیکدانان برای مطالعه فیزیک اطلاعات از آن استفاده می کنند.تصویرگری ساموئل ولاسکو / مجله Quanta

تیاو به بی نظمی تکیه می کند. به عنوان مثال تصور کنید که انگشتی از رنگ قرمز را در استخر شنا قرار دهید. تمام این مولکول های رنگ به آرامی در آب پخش می شوند.

فیزیکدانان این تمایل به گسترش را با تعداد روشهای ممکن برای ترتیب دادن مولکولهای رنگ ، کمی می کنند. یک شرایط ممکن وجود دارد که در آن مولکول ها در بند انگشت جمع می شوند. دیگری وجود دارد ، جایی که مثلاً مولکول ها به صورت یک توده مرتب در پایین استخر قرار می گیرند. اما میلیاردها تغییر مکان بی شماری وجود دارد که در آنها مولکول ها به روش های مختلف در آب انتشار می یابند. اگر جهان به طور تصادفی از بین تمام حالت های ممکن انتخاب کند ، می توانید شرط ببندید که با یکی از مجموعه عظیمی از اختلالات پایان می یابد.

از این طریق مشاهده می شود ، افزایش بی وقفه آنتروپی یا بی نظمی ، که توسط قانون دوم ترمودینامیک تعیین می شود ، تقریباً به یقین ریاضی دست می یابد. بنابراین ، البته ، فیزیکدانان به طور مداوم در تلاشند تا آن را خراب کنند.

یکی تقریبا انجام داد یک آزمایش فکری که توسط جیمز کلرک مکسول ، فیزیکدان اسکاتلندی در سال 1867 ایجاد شد ، به مدت 115 سال مانع دانشمندان شده است. و حتی پس از یافتن راه حل ، فیزیکدانان همچنان با استفاده از “دیو ماکسول” قوانین جهان را به حد مجاز می رسانند.

در آزمایش فكر ، ماكسول تصور كرد كه با برپا كردن دیواری با درب كوچك ، اتاقی پر از گاز را به دو محفظه تقسیم می كند. مانند همه گازها ، این گاز نیز از ذرات منفرد ساخته شده است. سرعت متوسط ​​ذرات مربوط به دمای گاز است – هرچه سریعتر گرمتر باشد. اما در هر لحظه ، بعضی از ذرات با سرعت کمتری نسبت به بقیه حرکت می کنند.

چه می شد اگر ماکسول حدس می زد ، موجود خیالی کوچکی پشت در نشسته ، یک دیو ، همانطور که بعداً او را صدا کردند. هر بار كه می دید ذره ای سریع از سمت چپ در حال نزدیك شدن است ، در را باز كرده و به داخل محفظه سمت راست می گذارد. و هر بار که ذره ای با حرکت آهسته از سمت راست نزدیک می شود ، دیو آن را به داخل محفظه سمت چپ فرو می برد.

بعد از مدتی محفظه سمت چپ پر از ذرات آهسته و سرد خواهد شد و محفظه سمت راست داغ می شود. به نظر می رسد که این سیستم جدا شده نظم بیشتری دارد ، نه کمتر ، زیرا دو محفظه مجزا ردیف بزرگتری نسبت به دو محفظه مشابه دارند. ماکسول سیستمی را ایجاد کرده بود که به نظر می رسید با ظهور آنتروپی و بنابراین قوانین جهان مخالف است.

لایا دلگادو کالیکو ، فیزیکدان کالج کینگ لندن ، گفت: “او سعی کرد سیستمی را ثابت کند که در آن آنتروپی کاهش یابد.” “این یک پارادوکس است.”

دو پیشرفت برای حل دیو ماکسول بسیار مهم است. اولین مورد توسط ریاضیدان آمریکایی کلود شانون است که بنیانگذار تئوری اطلاعات است. در سال 1948 ، شانون نشان داد كه محتوای اطلاعاتی یك پیام می تواند با آنچه او آنتروپی اطلاعات می نامد ، کمی شود. تاکاهیرو ساگاوا ، فیزیکدان دانشگاه توکیو گفت: “در قرن نوزدهم ، هیچ کس از اطلاعات اطلاع نداشت.” “درک مدرن دیو ماکسول با آثار شانون ایجاد شده است.”

دومین قطعه حیاتی این پازل اصل پاک کردن بود. در سال 1961 ، رولف لاندائور ، فیزیکدان آلمانی-آمریکایی نشان داد که هرگونه محاسبه منطقی غیرقابل برگشت ، مانند پاک کردن اطلاعات از حافظه ، منجر به کمترین مقدار کار غیر صفر به گرما آزاد شده در محیط و افزایش آنتروپی مربوطه می شود. اصل پاک کردن Landauer پیوند تحریک کننده ای بین اطلاعات و ترمودینامیک ایجاد می کرد. بعدا گفت: “اطلاعات فیزیکی است.”

در سال 1982 ، چارلز بنت فیزیکدان آمریکایی قطعات پازل را جمع کرد. او فهمید که شیطان ماکسول اساساً یک ماشین پردازش اطلاعات است: او مجبور بود اطلاعات مربوط به ذرات منفرد را ثبت و ذخیره کند تا تصمیم بگیرد که درب باز و بسته شود. شما باید این اطلاعات را به صورت دوره ای حذف کنید. طبق اصل پاک شدن لنداور ، افزایش آنتروپی ناشی از پاک کردن بیش از کاهش آنتروپی ناشی از مرتب سازی ذرات خواهد بود. گونزالو مانزانو ، فیزیکدان موسسه اپتیک کوانتوم و اطلاعات کوانتوم در وین گفت: “شما باید هزینه کنید.” نیاز دیو به ایجاد مجالی برای اطلاعات بیشتر به طور غیرقطعی منجر به افزایش خالص این اختلال شد.

سپس ، در قرن 21 ، با یک آزمایش فکری مصمم ، آزمایشات واقعی آغاز شد. ساگاوا گفت: “مهمترین پیشرفت این است که اکنون می توانیم دیو ماکسول را در آزمایشگاهها پیاده کنیم.”

بگیر ناوتیلوس بولتن

جدیدترین و محبوب ترین مقالات در صندوق ورودی شما تحویل داده می شوند!

در سال 2007 ، دانشمندان از دروازه ای با نور استفاده کردند تا ایده ماکسول از یک دیو را در عمل نشان دهند. در سال 2010 ، تیم دیگری راهی برای استفاده از انرژی تولید شده توسط اطلاعات شیطان برای بالا بردن دانه ها ابداع کرد. و در سال 2016 ، دانشمندان ایده دیو ماکسول را به دو محفظه حاوی نور به جای گاز اعمال کردند.

ولاتکو ودرال ، فیزیکدان دانشگاه آکسفورد و یکی از نویسندگان این تحقیق ، گفت: “ما نقش ماده و نور را تغییر دادیم.” سرانجام محققان موفق شدند یک باتری بسیار کوچک را شارژ کنند.

دیگران فکر می کردند که آیا می توان روشهای کم طلب تری برای استفاده از اطلاعات برای استخراج کار مفید از چنین سیستمی داشت؟ و تحقیقی که در فوریه 2021 منتشر شد در نامه های معاینه فیزیکی به نظر می رسد او راهی برای انجام آن پیدا کرده است. کار شیطان را به قمارباز تبدیل می کند.

این تیم با هدایت مانزانو تعجب می کردند که آیا راهی برای پیاده سازی چیزی مانند دیو ماکسول وجود دارد ، اما بدون نیاز به اطلاعات. آنها مانند گذشته سیستمی با دو محفظه با در را تصور كردند. اما در این حالت در به خودی خود باز و بسته می شود. بعضی اوقات ذرات به طور تصادفی به محفظه های گرم و سرد تقسیم می شوند. شیطان فقط می توانست این روند را تماشا کند و تصمیم بگیرد که چه موقع سیستم را خاموش کند. از نظر تئوری ، اگر شیطان در مورد زمان پایان آزمایش و نتیجه گیری از هرگونه عدم تعادل دما هوشمند باشد ، این فرآیند می تواند عدم تعادل دما و بنابراین یک موتور گرمایی مفید ایجاد کند ، همانطور که قمارباز هوشمند سری گرم می داند چه زمانی باید میز را ترک کند. ادگار رولدان ، فیزیکدان مرکز بین المللی فیزیک نظری در ایتالیا که یکی از نویسندگان این تحقیق است ، گفت: “شما می توانید تمام شب را روی میز رولت بازی کنید ، یا اگر 100 دلار برنده شوید می توانید متوقف شوید.” “ما می گوییم برای استخراج اثری در قانون دوم به دستگاهی به پیچیدگی شیطان ماکسول نیاز نداریم. می توانیم آرام تر باشیم. “محققان سپس چنین شیطان قمار را در یک دستگاه نانو الکترونیکی جاسازی کردند تا نشان دهند که این امکان وجود دارد.

ایده هایی از این دست می تواند در طراحی سیستم های گرمایشی کارآمدتر مانند یخچال و فریزر و یا حتی در تولید تراشه های رایانه ای پیچیده تری که می توانند به یک حد اساسی دیکته شده توسط اصل لانداور نزدیک شوند مفید باشد.

با این حال ، در حال حاضر ، قوانین ما در جهان حتی اگر تحت بیشترین کنترل قرار بگیرند ، ایمن هستند. آنچه تغییر کرده است درک ما از اطلاعات موجود در جهان است و با آن ارزیابی ما از دیو ماکسول ، ابتدا یک تناقض آزار دهنده و اکنون یک مفهوم بسیار ارزشمند است که به روشن شدن ارتباط چشمگیر جهان فیزیکی و اطلاعات کمک کرده است.

Jonathan O’Callaghan یک روزنامه نگار مستقل و روزنامه نگار علمی مستقر در لندن است. او به طور منظم برای تعدادی از نشریات ، از جمله ، می نویسد نیویورک تایمز، آمریکایی علمی، دانشمند جدید ، فوربس ، و کابل. می توانید کارهای بیشتر یا تماس وی را مطالعه کنید jonathanocallaghan.comیا آن را در توییتر پیدا کنید Astro_Jonny.



[ad_2]

منبع: khabar-shoma.ir