Maxwellův démon je hypotetická potvora, kterou si v roce 1867 vymyslel James Clerk Maxwell, když dával dohromady nauku o teple a kinetickou teorii látek. Maxwell se svým démonem zabodoval a od té doby ho fyzici důkladně studují. Tenhle démon je prostě populární. Většinou jde ale o čistě teoretický výzkum, v experimentech se Maxwellův démon objevil jen velice vzácně.
Původní myšlenkový experiment zahrnuje dvě nádoby se stejným plynem o stejné teplotě. Nádoby jsou spojené dvířky, u nichž sedí rarach, tedy Maxwellův démon osobně. Molekuly plynu v nádobách mají náhodnou rychlost a Maxwellův démon jejich rychlosti pozná. Rychlé molekuly propouští dveřmi jedním směrem a pomalé zase směrem opačným. Za nějakou dobu démon v jedné nádobě nashromáždí rychlé molekuly plynu a ve druhé ty pomalé. Tím by měl vzniknout rozdíl teplot mezi nádobami, který by bylo možné využít k práci. Na první pohled to vypadá jako perpetuum mobile (druhého druhu), zdání ale klame. Démoni ve světě fyziky nefungují, a kdyby raracha nahradil nějaký stroj, tak by musel získávat informaci o rychlosti molekul, což spotřebovává energii. V reálném experimentu by sice mezi nádobami vznikl tepelný gradient, celkové ztráty energie by ale byly vyšší, než zisky z tepelného gradientu. Termodynamika nezná slitování.
Mihai Dorian Vidrighin z Oxfordu a jeho kolegové se rozhodli, že si postaví úplně první fotonickou verzi Maxwellova démona. V této verzi badatelé nahradili nádoby s plynem dvěma světelnými pulzy a neúnavného raracha zase zařízením s detektorem záření a dopřednou vazbou (feed-forward operation), které dovede nasměrovat jasnější paprsek s více fotony na jednu stranu a méně jasný paprsek s méně fotony na druhou. Na každé straně paprsek dopadne na velmi citlivou lavinovou fotodiodu (APD), která vytvoří elektrický proud. Elektrický proud z fotodiod putuje ze dvou stran do kondenzátoru. Když z obou stran přijdou stejné pulzy energie, tak se navzájem vyruší. Pokud se ale jejich energie liší, tak dojde k nabíjení kondenzátoru.
Vidrighin a spol. to chtěli zatím jenom zkusit a nesnažili se experiment vyladit na to, aby těžil práci a poskytoval hmatatelný užitek. Je prý ale možné, že podobní Maxwellovi démoni jednou povedou k praktickým aplikacím. Vidrighinův kolega z týmu Oscar Dahlsten navrhuje, že by takové démonické aplikace mohly například snížit náklady na provoz chladících systémů. V dnešní honbě za úsporami energie to jistě zaujme nejeden výzkumný tým.
Vidrighin s kolegy doufají, že fotoničtí Maxwellovi démoni přispějí k lepšímu pochopení spojení mezi informací a termodynamikou, které je zásadní pro objasnění termodynamiky v nanoměřítku, na úrovni molekul a částic. V současné době jsme svědky bouřlivého rozvoje nanotechnologií, a právě provoz rozmanitých nanostrojků a nanočástic se musí vyrovnat s nanotermodynamikou. Podobně se v době rozvoje parních strojů museli parní inženýři devatenáctého století srovnat s makroskopickou termodynamikou.
Je to veliká příležitost, protože nanotermodynamika otevírá dveře k mnoha klíčovým technologiím, počínaje energetickými aplikacemi, až po kvantové počítače. Chce to se pořádně zhluboka nadechnout, a směle do toho.
Video: Maxwell's Demon and the Nature of Information
Video: Oscar Dahlsten - Quantum Information: what is it and what are the open problems
Literatura
Phys.org 12. 2. 2016, Physical Review Letters 116: 050401, Wikipedia (Maxwell's demon).
Maxwellův nanodémon
Autor: Stanislav Mihulka (08.02.2007)
Maxwellův démon může vytěžit práci z kvantové informace
Autor: Stanislav Mihulka (26.12.2013)
Diskuze:
reálný maxwellův démon
Jakub Beneš,2016-02-14 14:03:18
prakticky by mohlo jít o materiál, který se chová při dopadu molekul plynu z jednoho směru jinak, než při dopadu z druhého. na to nepotřebuje žadnou energii, aby zjišťoval rychlost částic. ta vlastnost by byla dána jeho složením. takový materiál si myslím, že by vyrobit šel. dnes se přece vyrábějí různé zajimavé materiály. :-)
Kdyby to šlo, tak by se evoluce nemořila s chlorofylem a jela by i v noci
Josef Hrncirik,2016-02-14 18:05:56
Na mikroúrovni děje probíhají vratně oběma směry.
Nevratnost a zákonitost se projevuje až u dlouhých časových průměrů velkých souborů dějů.
Systém v rovnováze nemůže konat užitečnou práci.
Proč si démon nepostaví elektrárnu založenou na tepelném šumu v termočláncích?
Bylo by to ve sporu s II. větou termodynamickou, která prokazatelně funguje.
Možná kvůli tomu ani nemůže být po Big crash nový Big bang.
Není lepší zázračná zrcátka s dopřednou akcí §zpronevěřit
Josef Hrncirik,2016-02-14 08:26:45
a za fotodiody zapojit usměrňovací Graetzův most a s ním nabíjet supercapacitor?
Nebo kondoš nabíjet proudem z laseru a §zpronevěřit i most?
Není lepší §zpronevěřit i supercapacitor a z černé skříňky vytunelovat vodiče napájející
Josef Hrncirik,2016-02-14 18:13:16
žíznivou lavinovou fotodiodu a pořídit si PV PRC článek?
ta varianta s PV PRC byla skutečně použita
Josef Hrncirik,2016-02-14 18:56:54
Článek nabízí za úplatu.
Kupodivu je i zdarma (snad ve 100% kvalitě) i na arxiv.org/pdf/1510.02164.pdf
Lavinové diody spouštěly prasátka z prorokujících zrcátek na PRC PV.
Rovnovážné tepelné záření okolí by z fotodiod (vznešeně nazvaných linear PD) v rovnovážném stavu s okolím vytěžilo i potmě šumové napětí při nulovém proudu, to jest nulovém výkonu.
Zde jsem však HIFI osel amatér a nějaký purista by mě měl poučit, jestli se nedá šumové napětí řadit do mocných sériových baterií metajících blesky.
Skutečně §zpronevěřili i prorokující zrcátka a supercapacitor
Josef Hrncirik,2016-02-21 17:01:13
Proudové (napěťové) pulzy získané na PRC PV; podle předpokládaného počtu fotonů z měření na APD (různý počet fotonů cca 100 M v rozsekaných laser. záblescích měl simulovat různou teplotu molekul) byly s patřičným znaménkem sčítány (integrovány) numericky v paměti, místo v kondenzátoru.
Zjistili, že získaná práce je minimálně 2x menší než vynaložená na třídění molekul dle energie.
Jejich démon měl tedy max. 1 oko a 1 ruku.
Kdyby v pulzu nebylo 100 M fotonů, tak nezjistí vůbec nic.
Takto však mají prorokova zrcátka, čárku, deep impact a potvrdili, že II. věta platí.
Co měřili se dá možná pochopit dlouhým intenzivním studiem appendixů po zakoupení článku.
Pochopitelně, že ze 100 M fotonových pulzů byla získaná práce větší než vynaložená informační.
Nebylo čerpáno z rovnovážného tepelného záření.
Sami napsali, že by nic nenaměřili.
Diskuze je otevřená pouze 7dní od zvěřejnění příspěvku nebo na povolení redakce
