赤血球よりも小さな熱機関を作り、太陽中心温度で運転するとどうなるでしょうか？技術的には動作するはずです。しかし実際には、ランダムな変動によって全てが狂ってしまうはずです。古典熱力学はミクロスケールでは「平均的に」しか機能しません。つまり、ほんの一瞬、エネルギーが本来あるべきでない場所に行き渡り、効率が100%を超え、法則が破綻しているように見えることがあるのです。英国の物理学者たちは、ミクロなスターリングエンジンを製作することが可能であることを実証しました。 13万ケルビンで作業 （10万℃または18万°F）。 それは役に立つ仕事を生み出すわけではありませんが、私たちの体内の分子の動きを支配する物理学について貴重なことを教えてくれます。
エンジンとなる粒子
のチーム キングス・カレッジ・ロンドン 〜によって案内される モリーメッセージ XNUMXつ取りました 4,82マイクロメートルのシリカ粒子 直径わずか（髪の毛の太さのほんの一部）の粒子を電場のトラップの中に吊るしました。 粒子は少し振動することはできますが、逃げることはできません。 そして彼らは応募した 最大13万ケルビンの温度をシミュレートする電気ノイズ太陽表面の5.800ケルビンよりもはるかに高温で、太陽核の1,500万ケルビンに近い温度です。これは実際の物理的な温度ではありません。電気ノイズによって、粒子は実際にその温度にある場合と全く同じように振動します。周囲の環境は約100分の1の温度に保たれ、通常のスターリングエンジンでは実現できない温度コントラストを生み出します。
従来のスターリングエンジンは、密閉されたガスを加熱・冷却することで膨張と収縮を繰り返し、熱を機械エネルギーに変換します。一方、超小型スターリングエンジンでは、ガスの代わりに水中で振動する単一の粒子を使用します。ピストンの代わりに、集光レーザーで運動を制御します。炎の代わりに、別のレーザーで周囲の水を加熱します。 ネイチャー・フィジックス誌に掲載された研究 彼はシステムを700～1.400サイクル実行し、その動作を研究した。
効率が100%を超えると
研究者たちは、熱交換の大きな変動と、粒子が消費する熱よりも多くの仕事を生み出すように見える短い期間を観察し、一時的に 100パーセントを超える効率それはまるで、5分間だけ普段の3倍の努力をしたように見え、その後ペースを落とし、一日の終わりにはやるべきことを完璧にこなした人のようなものです。これは、非常に小さなスケールにおける熱とエネルギーの巨大な変動とランダム性の結果に過ぎません。 それは予想外ではない。 ミクロレベルでの熱力学の第二法則は平均にのみ適用されます。法則を破っているように見える瞬間があるかもしれませんが、すべてを平均すると、システムは期待通りに動作します。
それは本当に重要だから
興味深いのはエンジンそのものではありません。均一な環境における拡散から予想されるように、粒子がトラップ内でランダムに動かないという点です。 その動きはそれがどこに位置しているかによって決まる媒体の温度と粘稠度が変化すると、粒子が媒体中を移動する様子も変化します。これを「 位置依存拡散.
これは、粒子が膜、体液、組織と相互作用する生物系において重要です。研究チームの装置は、体内の薬物輸送といった問題を研究する手段となる可能性があります。メッセージ氏は以下のように説明しています。
「この実験プラットフォームは、高温だけでなく、 生物学的に関連する熱力学的シナリオ 位置依存拡散の理解。これは、例えば生物学的文脈におけるタンパク質の折り畳みや物質輸送を理解する上で基本的なものです。」
研究チームは現在、この微小スターリングエンジンを平衡状態からさらに遠ざけ、最小スケールにおける運動とエネルギーを支配する奇妙で変動的な物理現象を探求したいと考えています。これはエネルギーを生成することではありません。次元が非常に小さくなったときに物質が実際にどのように機能するかを理解することです。 量子カオスが支配し始める.
エンジンが一時的に物理法則に違反することはパラドックスではありません。ただ、それらの法則は十分に時間をかけて観察した場合にのみ意味を成すということを思い出させるだけです。 微視的なスケールでは、ほんの一瞬で何でも起こり得ます。 その後、平均はリセットされ、世界は私たちが知っている状態に戻ります。
それは人生と少し似ています。短期的には混沌としていますが、長期的には予測可能です。 ここでのみ、長期間とは数秒です。
