«Мы разработали самый маленький паровой двигатель в мире, а если быть
более точным — наименьший двигатель Стирлинга, и обнаружили, что он
действительно выполняет работу, — говорит
один из авторов эксперимента Клеменс Бехингер (Clemens Bechinger). —
Этого не обязательно следовало ожидать. Ведь машина настолько мала, что
её движение затруднено из-за микроскопических процессов, которые не
имеют значения в макромире». Рабочий газ в необычном аппарате
немцы заменили на единичную коллоидную частицу. Сделана она была из
пластика, а диаметр её составил всего три микрометра. Шарик этот плавал
в воде. В роли поршня выступал регулируемый лазерный луч
оптической ловушки. Его поле ограничивало перемещение шарика в большей
или меньшей степени, так же как поршень определяет сжатие и расширение
газа в обычном стирлинге. Роль внешнего нагревателя сыграл второй
лазерный луч, который мог быстро включаться и выключаться. В силу очень
малого объёма порция воды и плавающий в ней шарик также быстро
нагревались и охлаждались.
Схема опытной установки (иллюстрация Fritz Höffeler/Art For Science).
Из-за крошечного размера и лёгкости частицы молекулы воды хаотично
подталкивали её в разных направлениях. При этом обмен энергией
пластикового шарика с внешней средой, как посчитали экспериментаторы,
оказывался одного порядка с энергией, получаемой от луча. По всему
выходило, что шарик впитывал от цикла к циклу существенно разное
количество энергии. А это могло не только сделать ход машины
неравномерным, но и застопорить её. Тем не менее построенная система
сумела нормально заработать, и даже показала эффективность, сопоставимую
с эффективностью макроскопического стирлинга. (Детали опыта раскрывает статья в Nature Physics.) Физики
поясняют, что таким способом они исследуют ограничения, которые
накладывает на классическую термодинамику малый масштаб элементов
системы. Полученные сведения помогут в проектировании практически
пригодных микромашин. Кроме того, по значению такой эксперимент
сравним с опытами над микро- и наноразмерными объектами, при помощи
которых учёные пробуют нащупать границу между классической и квантовой физикой. Любопытно также, что броуновское движение, рассматриваемое Клеменсом с коллегами как помеха, в реализованном демоне Максвелла
выступало как источник полезной работы. При этом на функционирование
устройства огромное влияние тоже оказывал именно крохотный масштаб его
частей.
|