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Ein neuer 'Informationsdämon' lebt vom Chaos

'Chaos herrscht.'

Forscher haben sich eine neue Idee für die Untersuchung von Systemen und Entropie ausgedacht - ein Informationsdämon, der einer herkömmlichen Glücksspielstrategie folgt, um Nichtgleichgewichtsprozesse in stochastischen oder chaotischen, zufälligen Momenten zu stoppen. in der Zeitschrift veröffentlicht Physical Review Letters .

Entscheidend ist, dass sich dieser Informationsdämon von dem bekannten Maxwell-Dämon unterscheidet, der vor Jahrhunderten erfunden wurde.

Neuer 'Informationsdämon' stoppt thermodynamische Prozesse in chaotischen Zuständen

"Unsere Forschung wurde von Neugier getrieben", sagte Gonzalo Manzano - einer der Forscher hinter der Studie - in a Phys.org Bericht . "Wir haben uns gefragt, welche Auswirkungen Prozesse haben, deren Schwankungen einige starke Eigenschaften stochastischer Prozesse erfüllen oder brechen, auf die Verbindung zwischen Thermodynamik und Information."

Die Forscher hinter der Studie stammen aus der PICO-Gruppe an der Aalto-Universität in Finnland und dem Internationalen Zentrum für Theoretische Physik ICTP in Italien. Die Studie wurde von Gonzalo Manzano, Edgar Rolden und ihren Kollegen durchgeführt - und stützte sich auf ihre neuenArbeiten Sie an der Erforschung der Zusammenhänge zwischen Information und Thermodynamik auf stochastischer Ebene wo Entropie oder "Chaos" herrscht.

Das Team orientierte sich an jüngsten Forschungen, die die Eigenschaften einer einzigartigen Familie chaotischer Prozesse namens Martingale untersuchten - in einem thermodynamischen Untersuchungsrahmen.

"Unser Beitrag befasst sich mit folgenden Fragen: Was passiert, wenn man mit den Informationen spielt, die über die Reaktion eines kleinen Systems während eines thermodynamischen Prozesses ohne Gleichgewicht gewonnen wurden?", Sagte Roldan zu Phys.org . "Dies kann als" Stopp "-Zustand formuliert werden, in dem der Spieler aufgibt" - oder beispielsweise ein Roulette-Spiel beendet, wenn seine Einnahmen über einen bestimmten Betrag hinaus gewachsen sind oder unter einen bestimmten Betrag gefallen sind.

Neuer Dämon hat weniger Kräfte als Maxwells bekanntes Gedankenexperiment

Ziel der Studie war es, zu bewerten, inwieweit die Gesetze der Thermodynamik bei Verwendung von vom Glücksspiel inspirierten Protokollen noch gelten. Um dies zu erreichen, erweiterte das Team die Entwicklung der Martingal-Theorie der Thermodynamik - ein theoretisches Konstrukt, das sie eingeführt habenvor einigen Jahren an die wissenschaftliche Gemeinschaft.

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Insbesondere führte das Team den Begriff "Glücksspieldämonen" ein - eine aktualisierte Version des bekannteren Maxwell-Dämons. Maxwells Dämon war ein Gedankenexperiment, das der Physiker James Clerk Maxwell 1867 einführte. Darin zeigte er, wie Informationen übermikroskopische Dynamik eines Systems kann verwendet werden, um zu untergraben der zweite Hauptsatz der Thermodynamik - was bedeutet, dass sich die Wärme immer von heiß nach kalt bewegt, bis sie gleichmäßig in einem geschlossenen System verteilt ist.

Dieses angebliche Paradoxon ist seit Jahrzehnten ein aktives Forschungsgegenstand - und wurde schließlich 1961 beigelegt, als Wissenschaftler argumentierten, dass die physikalische Natur der von Dämonen erzeugten Informationen nach Landauers Prinzip das Löschen der Arbeit erfordern würde.

"In Maxwells Originalversion kann ein kleines intelligentes Wesen dh der Dämon dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik trotzen, indem es ein thermodynamisches System auf mikroskopischer Ebene beobachtet und manipuliert", sagte ManzanoOffensichtlich ist Maxwells Dämon auch heute noch von großem Interesse, da er es ermöglicht, Arbeit zum Preis der Erzeugung von Entropie in Form von Informationen zu extrahieren. "

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"In der neuen Version bringen wir den Dämon an seine Grenzen, indem wir ihm einige seiner Kräfte wegnehmen", erklärte Manzano.

Neue 'Informationsdämon'-Idee, die auf die Quantenebene übergeht

Die kürzlich durchgeführte Studie untersuchte die Möglichkeit eines Glücksspieldämons, der in der Lage ist, das zu beobachten. mikroskopische Dynamik eines Systems - aber ohne die Fähigkeit, es nach Belieben zu manipulieren. Stattdessen kann dieser Informationsdämon nur zu bestimmten Zeiten entscheiden, wann der thermodynamische Prozess gestoppt werden soll.

"Man könnte denken, dass dieser weniger mächtige Dämon dem zweiten Gesetz nicht trotzen kann, wie in Maxwells ursprünglichem Aufbau, da man naiv erwarten kann, dass der Dämon die Informationen über die mikroskopische Dynamik des Systems nicht gut nutzen kann."sagte Manzano zu Phys.org . "Wir haben jedoch gesehen, dass dies nicht der Fall ist, aber der Dämon benötigt i eine gute Strategie, um sinnvoll zu entscheiden, wann er aufhören soll, und ii die Dynamik des betrachteten Systems muss nicht stationär seinoder technisch gesehen muss es die Zeitumkehrsymmetrie aufheben und daher ist ein gewisser Arbeitsaufwand erforderlich. "

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Maxwells Dämon führt zu offensichtlichen Verstößen gegen den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik, da er ein Tor öffnet und schließt, das zwei Behälter zu zufälligen Zeiten trennt. "Maxwells Dämon verwendet zwei Eigenschaften, um scheinbar die Grenzen des zweiten Hauptsatzes zu verletzen", sagte Roldan, es wirkt zu stochastischen Zeiten, wenn ein bestimmtes Ereignis stattfindet, ein heißes / kaltes Teilchen sich dem Gate nähert. Zweitens wendet es eine Rückkopplungssteuerung an und öffnet das Gate, wodurch sich die Dynamik des Prozesses ändert. "

Der neue Informationsdämon lässt jedoch offensichtliche Verstöße zu, da er nur die erste Komponente von Maxwells anfänglichem Dämonenexperiment verwendet. Dies bedeutet, dass der Glücksspieldämon über seine hinausgehende Arbeit aus thermodynamischen Systemen extrahieren kann. freie Energieänderung was bedeutet, dass die Umwandlung von Informationen in Arbeit "in Systemen realisiert werden kann, in denen eine genaue Steuerung der Dynamik nicht verfügbar ist."

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Dies ist wichtig, da der neue, auf Glücksspielen basierende Ansatz von Roldan, Manzano und Kollegen dazu beitragen könnte, die Effizienz von zu verbessern. mikroskopische Wärmekraftmaschinen und Motoren. Der nächste Schritt besteht darin, die Ergebnisse aus einem noch kleineren Rahmen - der Quantenphysik - auszuwerten. Dies könnte neue Türen für Forschung und Technologie öffnen, die in der Lage sind, Methoden der heutigen Technologie zu übertreffen und zu zeigen, wie man von Schwankungen mit profitiertclevere Informationsverarbeitungsstrategien ", erklärte Roldan.

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