Поршень, который ждёт пустоты ✛
Поршень в цилиндре с газом обычно движется, когда газ давит на него. Но есть поршень, который движется, когда перед ним пусто. Каждые пять секунд он проверяет пространство у своей стенки, и если там никого нет, делает шаг внутрь, сжимая газ без прямого механического усилия. Так работает информационный двигатель: он превращает знание о положении частиц в полезную работу.
В новом эксперименте рабочим телом стал не обычный газ, а газ из самодвижущихся роботов. Эти щётки-роботы вибрируют и ползают по арене, как живые существа, и накапливаются у стенок. Именно это накопление меняет правила игры. Для обычного газа средняя работа за измерение подчиняется простой формуле, и максимум достигается, когда вероятность найти область пустой равна примерно 37%. Для активного газа всё иначе.
При низкой плотности роботов выгодно проверять большие области: там чаще бывает пусто, и поршень делает крупный шаг. Но когда роботов становится много, у стенки формируется приграничный слой, и оптимальная стратегия переключается. Теперь лучше проверять маленькую область прямо у поршня, внутри этого слоя, где пустоты возникают чаще. Переход происходит при доле площади около 8% — это как если бы в комнате площадью 30 квадратных метров находилось восемь роботов, каждый размером с ладонь.
Энергетическая шкала активного газа α̃≈2.0 мН·см на 15 порядков больше тепловой энергии kBT при комнатной температуре, что отражает макроскопический размер роботов. При этом формально давление ведёт себя как у идеального газа, только с заменой температуры на «активную температуру».
Идея извлекать работу из информации о положении частиц перекликается с демоном Максвелла, который фигурирует во многих научно-фантастических произведениях, например, в рассказе Станислава Лема «Демон» из цикла «Кибериада», где демон второго рода пытается обойти второе начало термодинамики.