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熱力学および統計物理学の哲学において、ブラウンラチェットまたはファインマン・スモルコフスキーラチェットは、見かけ上は第2種の永久機関（熱エネルギーを機械的仕事に変換する）であり、1912年にポーランドの物理学者マリアン・スモルコフスキーによって思考実験として初めて分析されました。[ 1 ]これは、1962年5月11日にカリフォルニア工科大学で行われた物理学の講義、 1964年にコーネル大学で行われたメッセンジャー講義シリーズ「物理法則の性質」、および彼の著書「ファインマン物理学講義」[ 2 ]で、熱力学 の法則の例として、アメリカのノーベル賞受賞物理学者リチャード・ファインマンによって普及されました。小さな羽根車とラチェットからなるこの単純な機械は、熱平衡状態にある系におけるランダムな変動（熱）から機械的な仕事を取り出すことができるという、マクスウェルの悪魔の一例のように見えるが、これは熱力学第二法則に違反する。ファインマンらによる詳細な分析によって、実際にはそれが不可能である理由が明らかになった。
この装置は、一方向には自由に回転するが、爪によって反対方向には回転が阻止されるラチェットと呼ばれる歯車で構成されている。ラチェットは車軸を介して、温度の分子流体中に浸されたパドルホイールに接続されている。分子は、温度によって決まる平均運動エネルギーを持つランダムなブラウン運動を行うため、熱浴を構成します。この装置は、単一の分子衝突による衝撃でパドルを回転させることができるほど小さいと想定されています。このような衝突は、ロッドをどちらの方向にも等しい確率で回転させる傾向がありますが、ラチェット爪によってラチェットは一方向にのみ回転します。このようなランダムな衝突が多数発生すると、ラチェットはその方向に連続的に回転するように見えます。ラチェットの動きは、例えば重力に逆らって重り（m ）を持ち上げるなど、他のシステムに仕事をするために使用できます。この仕事に必要なエネルギーは、熱勾配なしに（つまり、運動によって空気の温度からエネルギーが奪われることなく）、熱浴から供給されるようです。このような機械が正常に動作した場合、その動作は熱力学第二法則に違反することになります。熱力学第二法則の一つは、「サイクルで動作するいかなる装置も、単一の熱源から熱を受け取り、正味の仕事を生み出すことは不可能である」と述べています。
一見するとブラウンラチェットはブラウン運動から有用な仕事を取り出すように見えるが、ファインマンは、装置全体が同じ温度の場合、ラチェットは一方向に連続的に回転せず、ランダムに前後に動くため、有用な仕事は生み出さないことを実証した。その理由は、爪がパドルと同じ温度であるため、爪もブラウン運動を起こし、上下に「跳ねる」からである。そのため、爪が上がっている間にラチェットの歯が爪の下に滑り込むことで、断続的に故障する。もう一つの問題は、爪が歯の傾斜面に接しているとき、爪を戻すバネが歯に横方向の力を加え、ラチェットを逆方向に回転させようとする傾向があることである。ファインマンは、温度がラチェットと爪の温度はパドルの故障率は、ラチェットが前方にラチェットする速度と等しくなければならず、十分な期間にわたって、またはアンサンブル平均の意味で、正味の動きは生じない。[ 2 ]歯の形状に関係なく正味の動きが生じないことの単純だが厳密な証明は、マグナスコによって与えられた。[ 3 ]
一方、より小さいそうすれば、ラチェットは確かに前進し、有効な仕事を生み出す。ただし、この場合、エネルギーは2つの熱源間の温度勾配から抽出され、一部の廃熱はラチェット爪によって低温側の熱源に放出される。言い換えれば、この装置は熱力学第二法則に従って、小型の熱機関として機能する。逆に、より大きいすると、装置は反対方向に回転します。
ファインマンのラチェットモデルは、ブラウンモーターという同様の概念につながりました。これは、熱雑音からではなく、化学ポテンシャルやその他の微視的な非平衡源から、熱力学の法則に従って有用な仕事を取り出すことができるナノマシンです。[ 3 ] [ 4 ]ダイオードはラチェットと爪の電気的アナログであり、同じ理由で、均一な温度の回路でジョンソン雑音を整流することによって有用な仕事を生成することはできません。
ミロナス[ 5 ] とマハト[ 6 ] は、同じ概念を、1より大きい奇数次の非ゼロ相関関数を持つ平均ゼロ（バイアスなし）非平衡ノイズによって駆動される相関ラチェットに拡張した。
ラチェットと爪は、 1900 年にGabriel Lippmannによって第二法則に違反する装置として初めて議論されました。[ 7 ] 1912 年に、ポーランドの物理学者Marian Smoluchowski [ 1 ]は、この装置が失敗する理由について、初めて正しい定性的な説明を与えました。爪の熱運動により、ラチェットの歯が後ろに滑ります。Feynman は、1962 年に Maxwell–Boltzmann 分布を使用してこの装置の最初の定量的分析を行い、パドルの温度 T1 がラチェットの温度 T2 よりも高い場合、熱機関として機能しますが、T1 = T2の場合はパドルの正味の動きがないことを示しました。1996 年に、JMR Parrondoと Pep Español は、ラチェットがなく、2 つのパドルのみがある上記の装置の変形を使用して、パドルとラチェットを接続する軸がリザーバー間で熱を伝導することを示しました。彼らは、ファインマンの結論は正しいものの、準静的近似の誤った使用により効率の式が不正確になったため、彼の分析は欠陥があると主張した。[ 8 ]マルセロ・オズバルド・マグナスコとグスタボ・ストロヴィツキー（1998）はこの分析を拡張して完全なラチェット装置を検討し、装置の出力はファインマンが主張したカルノー効率よりもはるかに小さいことを示した。[ 9 ] 2000年にデレク・アボット、ブルース・R・デイビス、パロンドが発表した論文では、この問題を再分析し、複数のラチェットの場合に拡張して、パロンドのパラドックスとの関連性を示した。[ 10 ]
1950年、レオン・ブリルアンは、ラチェットの代わりに整流器（ダイオードなど）を使用した電気回路のアナログについて論じた。 [ 11 ]このアイデアは、ダイオードが抵抗器によって生成されるジョンソンノイズの熱電流変動を整流し、仕事を行うために使用できる直流電流を生成するというものだった 。詳細な解析では、ダイオード内の熱変動が整流された電流変動による電圧を打ち消す起電力を生成することが示された。したがって、ラチェットと同様に、すべてのコンポーネントが熱平衡状態（同じ温度）にある場合、回路は有用なエネルギーを生成しない。直流電流は、ダイオードが抵抗器よりも低い温度にある場合にのみ生成される。[ 12 ]
トゥエンテ大学、パトラス大学、および物質基礎研究財団の研究者らは、熱平衡状態にない場合、粒状ガス[ 13 ]によって擬似ブラウン運動を仕事に変換するファインマン・スモルコフスキーエンジンを構築した。粒状ガスは、固体粒子が激しく振動してシステムが気体のような状態になる集合体である。構築されたエンジンは、振動流動化された粒状ガス中で自由に回転できる4枚の羽根で構成されていた[ 14 ] 。 上記のように、ラチェットのギアと爪機構により、軸は一方向にのみ回転できるため、動いているビーズとのランダムな衝突によって羽根が回転した。これはファインマンの仮説と矛盾するように思われる。しかし、このシステムは完全な熱平衡状態にはない。ビーズの流体運動を維持するためにエネルギーが常に供給されている。振動装置の上部で激しい振動を与えると、分子気体の性質を模倣することになる。ただし、微粒子が常に運動している理想気体とは異なり、振動を止めるとビーズが落下するだけである。実験では、このようにして必要な非平衡環境が維持された。しかし、すぐに仕事が行われるわけではなく、ラチェット効果は振動の強さが臨界値を超えた場合にのみ発生する。非常に強い振動の場合、羽根車が気体と相互作用して対流ロールを形成し、回転を維持する。[ 14 ]
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