Neděle, Únor 17

Japonští fyzici zkrotili Maxwellova démona

Klasické vyobrazení Maxwellova démona. Démon je zde spíše označení, které má podtrhnout obecnou platnost principů termodynamiky bez ohledu na povahu přepážky a prostředí, ve kterém pokus provádíme. Nemá příliš význam v našem běžném světě, obyčejný spalovací motor je účinnější, nabývá však na významu při přechodu k velmi malým rozměrům, kde už záleží na působení jednotlivých atomů a molekul.
Klasické vyobrazení Maxwellova démona. Démon je zde spíše označení, které má podtrhnout obecnou platnost principů termodynamiky bez ohledu na povahu přepážky a prostředí, ve kterém pokus provádíme. Nemá příliš význam v našem běžném světě, obyčejný spalovací motor je účinnější, nabývá však na významu při přechodu k velmi malým rozměrům, kde už záleží na působení jednotlivých atomů a molekul.

Japonští fyzici poprvé dokázali prakticky aplikovat téměř dvě stě let starý myšlenkový experiment Maxwellova démona a dosáhnout zvýšení vnitřní energie systému pouze s použitím informací o jejím stavu, bez přidávání energie z vnějšího prostředí. Svůj článek uveřejnili v časopise Nature Physics.

Výše uvedené pojmy zní možná poněkud tajemně, dají se ale vyložit i „lidštěji“. Britský fyzik James Maxwell v roce 1867 v dopise příteli popsal myšlenkový experiment, pomocí něhož teoreticky zdůvodnil možnost získávání energie z informace. Představme si dvě nádoby s plynem, spojené trubicí s přepážkou, u níž sídlí démon. Ten dokáže rozeznat rychleji se pohybující molekuly od pomalých a rychlé pouští přes přepážku, ale jen jedním směrem. Po určitém čase v jedné polovině nádoby rychlejší molekuly převáží nad pomalejšími. Jelikož je střední rychlost částic úměrná teplotě systému, znamená to, že se vytvoří rozdíl teplot, díky kterému může systém konat práci – například pohánět nějaký stroj.

Problém spočívá v praktické realizaci, neboť „rozeznání rychlých molekul od pomalých“ je fyzikální děj, při němž dochází ke ztrátám energie. Vezměme si nejjednodušší uspořádání takového systému – dvě nádoby jsou odděleny dvířky, které lze otevřít jen na jednu stranu a je zapotřebí na to vynaložit nenulovou energii, takže to zvládnou jen dostatečně rychlé molekuly. Přitom dojde k předání určité části energie molekuly dvířkám (podobně jako když otevíráme skutečné dveře a musíme na to vynaložit práci). Tato část je pro nás ztracena – spotřebuje se na zahřátí dvířek. Když tento proces podstoupí všechny rychlé molekuly, celková ztráta může výrazně převýšit zisk z vzniklého rozdílu teplot. Principiálně tedy stroj, poháněný „Maxwellovým démonem“, sestrojit lze, bude však velmi neúčinný.

Anebo ne? V našem běžném světě to platí beze zbytku a takové pohony proto vědci donedávna nebrali příliš vážně. V posledních dvaceti letech se však prudce rozvíjí obor nanotechnologií, který démona zase přivedl na výsluní. A jsme zpátky v Japonsku.

Autoři výzkumu, vědecký tým, vedený profesorem Masákím Sanem z Tokijské univerzity, dokázali uvést původně myšlenkový experiment do praxe právě s použitím těles o nanometrových rozměrech. Použili polymerní útvar o průměru okolo 300 nanometrů, připomínající řetízek, jehož tvar takový, že točit se ve směru hodinových ručiček jej vyjde energeticky výhodněji. Otáčení se proti směru hodinových ručiček naopak vede ke „kroucení“ řetízku a zvyšuje jeho vnitřní energii.

Řetízek byl umístěn do speciálního roztoku, kde se díky malým rozměrům mohl zapojit do Brownových pohybů. Nárazy částic rozpuštěných látek začaly otáčet řetízkem, jak ve směru hodinových ručiček, tak i obráceně.

Vědci pomocí speciálního zařízení sledovali každou otočku řetízku a když se točila proti směru hodinových ručiček, pouštěli elektrické napětí do nádoby s roztokem. Tím nepředávali systému žádnou další energii, ale přitom nenechali řetízek „rozvinout se“ zpátky do původního stavu. Tímto způsobem, pouze s využitím informací o směru, kterým se řetízek otáčel, vědci dokázali zvýšit její mechanickou energii díky Brownovu pohybu, který je, jak je známo, ustavičný.

Zákon zachování energie přitom porušen není. Podle výpočtů Sana činí účinnost přeměny informace na práci v jeho experimentu 28%, což souhlasí s teoretickými předpověďmi.

Podle mnoha fyziků lze takový mechanismus využít pro pohon molekulárních strojů, u nichž lze jen obtížně aplikovat postupy, používané v makrosvětě. Kupříkladu Vladko Vedral, fyzik z Oxfordské univerzity, jehož názor uvádí Nature News (přímo se Sanova experimentu neúčastnil), míní, že by bylo velmi zajímavé „zkoumat, zda se takový princip předávání energie neuplatňuje v živých systémech“.

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.