Biến thông tin thành năng lượng

Các định luật vật lý cho biết năng lượng có thể chuyển từ dạng này sang dạng khác, nhưng không được sinh ra từ thứ gì khác. Bạn sẽ luôn thu được một hệ có năng lượng ít hơn lượng năng lượng mà bạn đã mang vào hệ. Tuy nhiên, một thí nghiệm ở thang nano lấy cảm hứng từ một nghịch lý đã có từ thế kỷ 19, dường như phá vỡ quy tắc này. Nó cho biết, bạn có thể tạo ra năng lượng từ thông tin!

Masaki Sano, một nhà vật lý làm việc tại đại học Tokyo và các đồng sự đã chứng minh một hạt có thể "leo trên một thang xoắn" mà không cần năng lượng thêm vào để "đẩy" chúng. Thay vào đó, mỗi nấc thang sẽ được thực hiện dựa trên thông tin về vị trí của hạt tại thời điểm đó. Như vậy, theo phát biểu của Sano, "thông tin đã được chuyển hóa thành năng lượng".

Ý tưởng tạo ra năng lượng từ thông tin được nhà vật lý Scotland James Clerk Maxwell đề xuất trong thí nghiệm tưởng tượng vi phạm Nguyên lý hai Nhiệt động lực học. Giả sử có một căn phòng được ngăn đôi bằng một cánh cửa cách nhiệt. Một con quỷ sẽ làm nhiệm vụ gác cửa, chỉ cho phép các hạt chuyển động nhanh hơn di chuyển qua cửa theo hướng từ ngăn trái sang ngăn phải, trong khi các hạt chuyển động chậm hơn di chuyển theo chiều ngược lại.

Kết quả là, ngăn bên phải sẽ ấm hơn do các hạt có vận tốc cao hơn trung bình chung và ngăn bên trái sẽ trở nên lạnh hơn. Như vậy, con quỷ đã tạo ra một sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai ngăn mà không cần bất cứ một nguồn năng lượng nào khác bổ sung vào hệ, mà chỉ bằng thông tin về tốc độ của chúng. Điều này dường như vi phạm nguyên lý hai nhiệt động lực, cho biết độ trật tự của một hệ thống luôn giảm đi, hay entropy của hệ luôn tăng.

Khi quả bóng di chuyển lên bậc thang cao hơn, con quỷ Mawxell sẽ ngăn không cho quả bóng quay trở lại. Nguồn: Mabuchi Design Office/Yuki Akimoto

Nghịch lý được kiểm chứng

Để đưa ý tưởng này vào thí nghiệm thực tiễn, Sano và các đồng sự đã đặt một giọt polystyrene cỡ nano hình thon dài vào một dung dịch dùng làm môi trường của thí nghiệm. Giọt này có thể quay theo chiều kim đồng hồ hoặc ngược chiều kim đồng hồ. Khi đó, nhóm thí nghiệm đặt một điện thế thay đổi vào hệ nhằm làm cản trở chuyển động quay của giọt theo chiều ngược chiều quay kim đồng hồ. Tác dụng này tạo ra một "cầu thang xoắn", khiến giọt khó khăn hơn trong việc "leo lên bậc cao hơn" theo hướng ngược chiều kim đồng hồ, trong khi nó dễ dàng "hạ xuống bậc thang thấp hơn" theo hướng quay của kim đồng hồ.

Nhờ vào tác dụng của nguồn điện, giọt có xu hướng quay theo chiều kim đồng hồ. Tuy nhiên, tác động ngẫu nhiên của môi trường xung quanh khiến cho đôi lúc, giọt quay theo chiều ngược lại. Khi đó, con quỷ của Mawxell phát huy "sức mạnh".

Khi giọt ngẫu nhiên quay theo chiều ngược kim đồng hồ, nhóm thí nghiệm nhanh chóng điều chỉnh nguồn điện, tương đương với tác động của con quỷ vào cánh cửa như trong thí nghiệm tưởng tượng mỗi khi có hạt đủ "tiêu chuẩn" đi qua, cản trở giọt quay lại trạng thái quay cùng chiều kim đồng hồ thường gặp. Như vậy, giọt này đã "leo thang" mà không cần tác động trực tiếp nào.

Thực tế, thí nghiệm này không vi phạm nguyên lý hai nhiệt động, vì xét toàn cục, năng lượng phải bị tiêu tốn bởi thí nghiệm trong việc chụp hình các trạng thái của giọt hay đảo cực nguồn điện. Nhưng nó cũng chỉ ra rằng, thông tin có thể được dùng làm môi trường trung chuyển năng lượng. Giọt này được dùng như một rô-to mini, với hiệu quả biến đổi thông tin thành năng lượng vào khoảng 28%.

"Đây là một minh chứng tuyệt vời, cho thấy thông tin mang thuộc tính nhiệt động lực (thermodynamic content)," theo phát biểu của Christopher Jarzynski, nhà hóa học thống kê ở đại học Maryland. Năm 1997, Jarzynski đã xây dựng một phương trình xác định lượng năng lượng được tạo thành từ một đơn vị thông tin và đã được kiểm chứng thông qua thí nghiệm này của Sano và các đồng sự. "Điều này mang lại một cái nhìn mới mẻ về cách mà các địng luật nhiệt động lực hành xử ở thang vi mô," Jarzynski nhấn mạnh.

Vlatko Vedral, một nhà vật lý lượng tử ở đại học Oxford, Anh quốc, cho biết, kỉ thuật này có thể sử dụng để điều khiển các mo-tơ nano và các cơ cấu nhân tạo cỡ phân tử. "Tôi sẽ rất phấn khích nếu thấy được thứ gì đó giống như vậy đã tồn tại trong tự nhiên," Vedral thêm vào. "Sau cùng, bạn có thể nói rằng, tất cả các cơ thể sống đều là các con quỷ Maxwell, đang cố gắng chống lại tính trật tự để quay trở lại với xu hướng ngẫu nhiên (mất trật tự hơn)."

Có thể tìm hiểu thêm trên Nature.com

Link gốc của bài báo: doi:10.1038/news.2010.606

Thới Ngọc Tuấn Quốc