دراسة: شيطان ماكسويل يمكنه استخلاص الطاقة من الذكريات المخفية

في عام 1867، فعل الفيزيائي جيمس كليرك ماكسويل شيئًا سيئًا للغاية. لقد اقترح انتهاكًا واضحًا للقانون الثاني للديناميكا الحرارية، وهو ذكي للغاية لدرجة أن فيزيائيين آخرين حاولوا حله منذ ذلك الحين. استدعت تجربته الفكرية “شيطانًا” – كائن ذكي صغير يتمركز عند باب بين حجرتين مملوءتين بالغاز، ولا يسمح إلا للجسيمات السريعة بالدخول إلى جانب واحد والجسيمات البطيئة إلى الجانب الآخر – والنتيجة النهائية هي الدفء في إحدى الغرف والبرودة في الأخرى. المشكلة هي أن هذا يقلل الإنتروبيا – وهو أمر، وفقًا للقانون الثاني للديناميكا الحرارية الديناميكا الحرارية، لا يمكن أن تحدث في نظام معزول دون زيادة تعويضية في مكان آخر. ومع ذلك، يبدو أن شيطان ماكسويل يحقق ذلك دون القيام بأي عمل. إنه نموذج للكسل. الآن، قام فريق جديد من الفيزيائيين بتفاقم المشكلة. من خلال استغلال المعلومات المخبأة في ذاكرة النظام الفيزيائي، أظهر الباحثون أن العفريت المتمارض يمكنه استخلاص طاقة أكبر مما قد يتخلى عنه أي نظام عديم الذاكرة. إطار الحدود = “0” سماح = “مقياس التسارع؛ التشغيل التلقائي؛ الكتابة في الحافظة؛ الوسائط المشفرة؛ جيروسكوب؛ صورة داخل صورة؛ web-share” Referrerpolicy=”strict-origin-when-cross-origin”allowfullscreen> لكي نكون واضحين، تم حل مفارقة ماكسويل الأصلية منذ فترة طويلة. خدعة الشيطان ليست مجانية على كل حال: المعلومات مادية، ومعالجتها تأتي مع تكاليف ديناميكية حرارية تحافظ على القانون الثاني. لكن الحل كشف عن شيء رائع. يمكن استخدام المعلومات حول النظام الفيزيائي في حد ذاتها لاستخلاص عمل مفيد من هذا النظام. ولتوضيح هذه الفكرة، قام الفيزيائي كليمنس بيتشينغر من قام فريق من جامعة كونستانز في ألمانيا وزملاؤه ببناء نسخة حقيقية من شيطان ماكسويل. وإليك كيفية عمل ذلك. استخدم الباحثون الليزر لاصطياد خرزة زجاجية مجهرية في سائل، ولكن حتى عندما وقعت في قبضة الليزر، لم تكن الخرزة ثابتة تمامًا، بل كانت تتصادم باستمرار مع الجزيئات المحيطة بها، مما يجعلها تهتز بشكل عشوائي في ظاهرة تعرف باسم الحركة البراونية. (جامعة كونستانز/AG Bechinger، تم إنشاؤها باستخدام الذكاء الاصطناعي) من خلال مراقبة موضع الخرزة، يمكن للباحثين تحديد متى يتم تحريك مصيدة الليزر للاستفادة من تحركاتها، واستخراج القليل من الطاقة في هذه العملية. هذا هو المبدأ الأساسي لمحرك المعلومات – استخدام المعرفة حول نظام لتحويل الحركة العشوائية إلى عمل مفيد. ولكن هناك مشكلة لا يمكن لمحرك المعلومات الاستفادة منها إلا من المعلومات التي يمكنه الوصول إليها. وفي العالم الحقيقي، يمكن إخفاء بعض هذه المعلومات. وهذا هو المكان يبدأ نظام بيتشينغر في التوسع إلى ما هو أبعد من شيطان ماكسويل القياسي – لأن هذا السائل ليس ماءًا قياسيًا. إنه مليء بخيوط تشبه السباغيتي من جزيئات تسمى المذيلات التي تشكل شبكة مجهرية لم يتمكن الباحثون من ملاحظة حركاتها بشكل مباشر. تشابكت هذه الهياكل وأعادت ترتيب نفسها عندما رقصت الخرزة رقصتها الصغيرة، محتفظة بآثار حركتها السابقة التي يمكن أن تؤثر على مكان تحركها بعد ذلك. لذلك، على الرغم من أن الباحثين لم يتمكنوا من ملاحظة وبدلاً من قياس موضع الخرزة مرة واحدة فقط، قاموا بقياسها مرتين، مع فاصل زمني محدد بعناية بين الملاحظات. كان هذا التوقيت حاسماً. إذا تم أخذ القياسات قريبة جدًا من بعضها البعض، فإنها لم تكشف سوى القليل عن ديناميكيات السائل الخفية، وإذا كانت متباعدة جدًا، فقد بدأت الشبكة بالفعل في نسيان الحركات السابقة للخرزة. وقد وجد الباحثون نقطة جيدة عند فاصل زمني يبلغ حوالي ثانية واحدة لاستنتاج كيفية اضطراب الشبكة المحيطة، وكيف يمكن أن تؤثر على الحركة التالية للخرزة. وقد أتاح لهم ذلك ضبط توقيت تعديلاتهم على مصيدة الليزر بشكل أكثر فعالية، واستخراج الطاقة التي كان من الممكن أن تظل غير قابلة للوصول. في ظل ظروف معينة، سمحت هذه الإستراتيجية للباحثين باستخراج ما يصل إلى ثلاثة أضعاف الحد النظري لنظام مكافئ بدون ذاكرة ميسيلار مخفية. يؤثر توقيت القياسات على استخراج العمل (يسار)، والذي يمكن أن يتجاوز الحد النظري لنظام بدون ذاكرة (يمين). (Al., Nat. Phys., 2026) إذا كنت بحاجة إلى صورة ذهنية، تخيل كرة لحم موضوعة في وعاء من حساء السباغيتي غير المرئي. يشبه البحث مشاهدة كرة اللحم تهتز مرتين لمعرفة ما تفعله السباغيتي، ثم استخدام تلك المعلومات لتحريك مصيدة الليزر الخاصة بها بطريقة تستخرج طاقة إضافية من ديناميكيات الحساء المخفية. والشيء التالي الذي ربما تتساءل عنه هو ما إذا كان هناك أي استخدام عملي لهذا، أو إذا كان ذلك حسنًا، في الوقت الحالي على الأقل، الأمر الأخير هو في الغالب، لم يقم الباحثون ببناء آلة صغيرة يمكنها أداء مهمة مفيدة، وبدلاً من ذلك، أظهروا طريقة جديدة لاستخراج الطاقة من نظام مجهري، وفي هذه العملية طوروا فهمنا لما يمكن أن تحققه محركات المعلومات. وقد يكون ذلك مهمًا للتقنيات المستقبلية التي تعمل على المقاييس المجهرية، خاصة في البيئات المعقدة مثل السوائل البيولوجية، حيث قد يكون من الصعب فهم التفاعلات بين الجسيمات والمناطق المحيطة بها. بدلاً من التعامل مع تلك التفاعلات كعائق، يشير البحث الجديد إلى أنه يمكن استغلالها كمصدر إضافي للطاقة المفيدة. كتب الباحثون: “تثبت نتائجنا الذاكرة البيئية كمورد ديناميكي حراري يمكن الوصول إليه تجريبيًا”. تم التحقق من صحة هذه المقالة بواسطة ريبيكا داير وتحريرها بواسطة ريبيكا داير، بينما نفخر بعمليتنا، نحن بشر فقط.