我们周围物质的组成分子都在不断运动。如果我们能够利用这些能量并加以利用，结果会怎样？
150 多年前，麦克斯韦提出理论，如果能够精确测量分子的运动，这些信息就可以用来驱动发动机。直到最近，这还只是一项思想实验，但技术突破使得在实验室中构建可行信息引擎成为可能。
SFU 物理学教授 John Bechhoefer 和 David Sivak 联手打造了一款信息引擎并测试了其极限。他们的工作极大地促进了我们对这些引擎如何运作的理解，由博士后研究员 Johan du Buisson 领导并最近在《物理学进展：X》上发表的一篇论文总结了他们合作期间的发现。
Bechhoefer 说：“我们生活在一个充满额外未使用能量的世界，这些能量都有可能被利用。”了解信息引擎如何运作不仅可以帮助我们利用这些能量，还可以提出重新设计现有引擎以更有效地利用能量的方法，并帮助我们了解生物马达如何在生物体和人体中发挥作用。
该团队的信息引擎由水浴中的一颗小珠子组成，该珠子用光学陷阱固定住。当水的波动导致珠子向所需方向移动时，可以调整陷阱以防止珠子返回到原来的位置。通过精确测量珠子的位置并使用该信息调整陷阱，引擎能够将水的热能转化为功。
为了了解发动机的速度和效率，研究小组测试了珠子的质量和采样频率等多个变量，并开发了算法来降低测量的不确定性。
“从最简单的本质出发，我们可以系统地了解温度和系统规模等因素如何改变我们可以利用的东西，”西瓦克说。“哪些策略最有效？它们如何随着所有这些不同的特性而改变？”
用于取代珠子的传统和信息引擎中的能量流动。来源：Advances in Physics: X (2024)。DOI：10.1080/23746149.2024.2352112
研究团队实现了信息引擎迄今为止记录的最快速度，大约比大肠杆菌的速度快十倍，与海洋环境中的运动细菌的速度相当。
接下来，该团队想要了解信息引擎是否能够收获比运行成本更多的能量。“在平衡状态下，这总是一场失败的游戏，”Bechhoefer 说。“收集和处理信息的成本总是超过你从中获得的，但是当你处于一个拥有额外能量的环境中时，[分子] 会额外摆动，如果能量足够强大，那么平衡就会改变。”
他们发现，在非平衡环境中，当发动机处于温度高于测量仪器的热浴中时，它输出的功率可能远远超过其运行成本。
地球上的所有能量都来自太阳，最终辐射到太空中。这种定向能量流以多种不同的方式表现出来，例如可以利用的风或洋流。了解信息引擎背后的原理可以帮助我们更好地利用这些能量。
“我们从一个非常不同的角度来看待（能量收集），我们希望这种不同的视角能够带来一些关于如何提高效率的不同见解，”Bechhoefer 说。
两人期待未来在其他项目上合作。“我们很幸运能共同获得一笔资助。这对合作非常有帮助，”Bechhoefer 说。
西瓦克是一名理论家，而贝克霍弗是一名实验家，他们在工作中采取了互补的方法，因此他们能够吸引到想要与两人一起工作的实习生。“在指导和领导团队方面，我们有不同的风格，”西瓦克说。“我们的学生和博士后可以从这两种方法中受益。”
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