Fyzici si postavili fotonického Maxwellova démona  
Přesněji řečeno jeho čistě experimentální fotonickou variantu. Je to jen hračka, jednoho dne by podobní Maxwellovi démoni mohli přinést zajímavé démonické aplikace.

 

Maxwellův démon. Kredit: Project Infernos / Universitat de Barcelona.
Maxwellův démon. Kredit: Project Infernos / Universitat de Barcelona.

 

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.

 

Mihai Dorian Vidrighin. Kredit: Imperial College London.
Mihai Dorian Vidrighin. Kredit: Imperial College London.


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.

 

 

Fotonický Maxwellův démon. Kredit: Vidrighin, et al. (2016). American Physical Society
Fotonický Maxwellův démon. Kredit: Vidrighin, et al. (2016). American Physical Society

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.

 

 

Lavinová fotodioda. Kredit: Radovan Blažek / Wikimedia Commons.
Lavinová fotodioda. Kredit: Radovan Blažek / Wikimedia Commons.

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).

Autor: Stanislav Mihulka
Datum: 13.02.2016
Tisk článku

King and Maxwell - Baldacci David
Knihy.ABZ.cz
 
 
cena původní: 249 Kč
cena: 221 Kč
King and Maxwell
Baldacci David
Související články:

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. :-)

Odpovědět


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.

Odpovědět

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?

Odpovědět


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?

Odpovědět


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.

Odpovědět


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.

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni