فیزیک‌دانان در آزمایشی تازه نشان داده‌اند که می‌توان از اطلاعات پنهان در محیط اطراف یک ذره برای استخراج کار بیشتر استفاده کرد. آن‌ها با قرار دادن یک مهره میکروسکوپی در مایعی پیچیده و اندازه‌گیری موقعیت آن در دو زمان متفاوت، توانستند اثر حرکت‌های قبلی مهره بر رفتار بعدی آن را شناسایی کنند. در شرایط مشخص این آزمایش، میزان کار استخراج‌شده به سه برابر حد نظری یک سامانه مشابه بدون حافظه محیطی رسید.
این پژوهش به یکی از پرسش‌های قدیمی فیزیک درباره رابطه اطلاعات و انرژی مربوط می‌شود. نتیجه آن به معنای تولید انرژی از هیچ یا نقض قوانین ترمودینامیک نیست؛ بلکه نشان می‌دهد بخشی از اطلاعاتی که در محیط باقی می‌ماند، می‌تواند به استخراج کار بیشتر کمک کند.
شیطان ماکسول چیست؟
برای درک اهمیت این کشف، ابتدا باید با یک آزمایش فکری مشهور آشنا شویم. جیمز کلرک ماکسول، فیزیک‌دان اسکاتلندی، در سال ۱۸۶۷ سناریویی فرضی را مطرح کرد که بعدها به نام «شیطان ماکسول» شناخته شد.
تصور کنید محفظه‌ای پر از گاز داریم که مولکول‌های آن با سرعت‌های مختلف حرکت می‌کنند. حالا موجودی فرضی را در نظر بگیرید که می‌تواند سرعت تک‌تک مولکول‌ها را تشخیص دهد و دریچه‌ای میان دو بخش محفظه را کنترل کند. اگر این موجود فقط به مولکول‌های سریع اجازه عبور به یک سمت و به مولکول‌های کند اجازه عبور به سمت دیگر را بدهد، یک بخش گرم‌تر و بخش دیگر سردتر می‌شود.
این وضعیت در نگاه نخست با قانون دوم ترمودینامیک ناسازگار به نظر می‌رسد؛ قانونی که محدودیت‌هایی برای تبدیل انرژی و افزایش آنتروپی در یک سامانه در نظر می‌گیرد. پرسش اصلی این بود که آیا می‌توان با استفاده از اطلاعات درباره ذرات، چنین تغییری ایجاد کرد، بدون آنکه هزینه‌ای پرداخت شود؟
فیزیک‌دانان بعدها نشان دادند که اندازه‌گیری و پردازش اطلاعات نیز با محدودیت‌های فیزیکی همراه است. بنابراین، شیطان ماکسول نمی‌تواند قوانین ترمودینامیک را دور بزند. بااین‌حال، این مسئله به شکل‌گیری حوزه‌ای از پژوهش‌ها درباره موتورهای اطلاعاتی کمک کرد؛ سامانه‌هایی که با استفاده از اطلاعات مربوط به حرکت ذرات، بخشی از انرژی را به کار قابل‌استفاده تبدیل می‌کنند.
آزمایش با یک مهره میکروسکوپی چگونه انجام شد؟
پژوهشگران به سرپرستی کلمنس بایشینگر از دانشگاه کنستانس آلمان، مهره‌ای بسیار کوچک از جنس شیشه را با کمک پرتو لیزر درون مایع نگه داشتند. این تله لیزری امکان کنترل موقعیت مهره را فراهم می‌کرد، اما مانع حرکت‌های بسیار کوچک آن نمی‌شد.
مولکول‌های مایع دائماً با مهره برخورد می‌کردند و باعث حرکت تصادفی آن می‌شدند. این پدیده که «حرکت براونی» نام دارد، در مقیاس میکروسکوپی رفتاری طبیعی است. پژوهشگران می‌توانستند موقعیت مهره را اندازه بگیرند و با جابه‌جایی تله لیزری، از اطلاعات به‌دست‌آمده برای استخراج کار استفاده کنند.
اما بخش مهم آزمایش به نوع مایع مربوط می‌شد. محیط آزمایش آب معمولی نبود، بلکه مایعی ویسکوالاستیک حاوی ساختارهای مولکولی رشته‌مانند به نام «میسل» بود. این ساختارها در کنار هم شبکه‌ای میکروسکوپی تشکیل می‌دادند که هنگام حرکت مهره تغییر شکل می‌داد و برای مدتی آثار حرکت قبلی را حفظ می‌کرد.
به همین دلیل، حرکت مهره فقط به وضعیت لحظه‌ای آن وابسته نبود. تغییرات باقی‌مانده در شبکه مولکولی نیز می‌توانست بر حرکت بعدی اثر بگذارد. این ویژگی همان چیزی بود که پژوهشگران می‌خواستند از آن استفاده کنند.
چرا دانشمندان موقعیت مهره را دو بار اندازه گرفتند؟
پژوهشگران نمی‌توانستند تمام تغییرات شبکه مولکولی داخل مایع را مستقیماً مشاهده کنند. بااین‌حال، حرکت مهره اطلاعاتی درباره وضعیت این شبکه در اختیار آن‌ها می‌گذاشت.
برای به دست آوردن این اطلاعات، موقعیت مهره را دو بار با فاصله زمانی مشخص اندازه گرفتند. سپس نتایج دو اندازه‌گیری را با یکدیگر مقایسه کردند تا بفهمند محیط چگونه از حرکت قبلی تأثیر پذیرفته است و این تغییرات چه اثری بر حرکت بعدی مهره می‌گذارند.
فاصله زمانی میان دو اندازه‌گیری اهمیت زیادی داشت. اگر اندازه‌گیری دوم خیلی زود انجام می‌شد، اطلاعات کافی درباره تغییرات محیط به دست نمی‌آمد. اگر زمان زیادی می‌گذشت، شبکه مولکولی فرصت پیدا می‌کرد آثار حرکت قبلی را از دست بدهد.
پژوهشگران دریافتند که در آزمایش آن‌ها، فاصله‌ای در حدود یک ثانیه برای استفاده از این اطلاعات مناسب بود. آن‌ها با تکیه بر نتایج اندازه‌گیری‌ها، زمان جابه‌جایی تله لیزری را تنظیم کردند تا بتوانند کار بیشتری از سامانه استخراج کنند.
منظور از استخراج سه برابر کار بیشتر چیست؟
مهم‌ترین نتیجه پژوهش این بود که در برخی شرایط، کار استخراج‌شده از سامانه به سه برابر حد نظری مربوط به یک سامانه مشابه بدون حافظه محیطی رسید.
برای درک این نتیجه، باید میان «انرژی» و «کار استخراج‌شده» تفاوت قائل شویم. این آزمایش نشان نداد که دستگاهی سه برابر انرژی تولید کرده است؛ بلکه نشان داد پژوهشگران با استفاده از اطلاعات بیشتر درباره محیط، توانستند مقدار بیشتری کار مکانیکی از حرکت مهره به دست آورند.
در مدل‌های ساده، معمولاً فرض می‌شود که محیط حافظه‌ای از وضعیت‌های قبلی سامانه ندارد و رفتار آینده را می‌توان بر اساس وضعیت فعلی توصیف کرد. اما در مایع آزمایش‌شده، بخشی از اطلاعات حرکت‌های قبلی در ساختارهای مولکولی باقی مانده بود. این اطلاعات به پژوهشگران امکان داد از بخشی از ظرفیت سامانه استفاده کنند که در مدل بدون حافظه نادیده گرفته می‌شد.
البته ضریب سه برابر به شرایط مشخص آزمایش و مقایسه با حد نظری سامانه بدون حافظه مربوط است. این عدد به معنای افزایش سه‌برابری بازده در تمام شرایط یا عملکرد یک موتور آماده استفاده نیست.
آیا این کشف کاربرد عملی دارد؟
در حال حاضر، پژوهشگران یک موتور میکروسکوپی آماده استفاده نساخته‌اند. هدف اصلی آزمایش، بررسی این موضوع بود که آیا می‌توان از اطلاعات ذخیره‌شده در محیط برای افزایش کار استخراج‌شده استفاده کرد یا خیر. نتایج نشان داد که چنین کاری در شرایط کنترل‌شده امکان‌پذیر است.
بااین‌حال، این یافته می‌تواند برای پژوهش‌های آینده درباره سامانه‌های بسیار کوچک اهمیت داشته باشد. در محیط‌های زیستی و مایعات پیچیده، حرکت ذرات اغلب تحت تأثیر برهم‌کنش‌های متعددی قرار می‌گیرد که بررسی مستقیم آن‌ها دشوار است. اگر بتوان از اطلاعات باقی‌مانده در این محیط‌ها استفاده کرد، شاید بتوان روش‌های دقیق‌تری برای کنترل حرکت ذرات و بهبود عملکرد برخی سامانه‌های میکروسکوپی توسعه داد.
برای رسیدن به چنین کاربردهایی، پژوهش‌های بیشتری لازم است. نتیجه فعلی بیش از آنکه معرفی یک فناوری آماده باشد، نشان می‌دهد که درک حافظه محیطی می‌تواند به شناخت بهتر رابطه میان اطلاعات، حرکت و انرژی کمک کند.
جمع‌بندی
آزمایش تازه فیزیک‌دانان نشان می‌دهد که محیط اطراف یک ذره ممکن است اطلاعاتی از حرکت‌های قبلی آن را برای مدتی حفظ کند. پژوهشگران با اندازه‌گیری دوباره موقعیت یک مهره میکروسکوپی و تنظیم زمان جابه‌جایی تله لیزری، توانستند از این اطلاعات برای استخراج کار بیشتر استفاده کنند.
این پژوهش که نتایج آن در نشریه Nature Physics منتشر شده است، قانون دوم ترمودینامیک را نقض نمی‌کند و راهی برای تولید انرژی از هیچ ارائه نمی‌دهد. اهمیت آن در این است که نشان می‌دهد اطلاعات پنهان در محیط نیز می‌تواند در شرایط مناسب، منبعی برای افزایش کار قابل‌استخراج باشد.
منابع
- ScienceAlert
- Nature Physics
