V roce 1912 polský fyzik Marian Smoluchowski navrhl provést pokus v němž by nepatrné, všemi směry se pohybující partikule měly roztočit lopatky větrníku a na něj napojené ozubené kolo. Nejdůležitější součástkou tohoto řešení byla západka, která bránila kolu nabývat zpětného chodu. Nápad to byl geniální, ale známý fyzik Feynman na svých přednáškách po Druhé světové válce dokazoval, že to je nesmysl a že takový stroj v jednom systému pracovat nemůže.
Nová mašinka, jejíž popis se nyní objevil v časopisu Physical Review Letters, se navzdory skeptickým předpokladům přece jen točí.
Feynmannova rohatka se nemůže nikdy točit
Molekuly plynu v levé nádobě narážejí na lopatky a způsobují otáčení hřídele. Západka v pravé nádobě je tlačena pružinou k ozubenému kolu a zabraňuje zpětnému otáčení. Mezi nádobami je na hřídeli připevněna kladka, na níž se navíjí vlákno se závažím. Feynman nejprve uvažuje případ stejných teplot plynu v obou nádobách. Pružinu v pravé nádobě ale není možné vyčlenit z tohoto dění a tak vlivem nárazů molekul musíme počítat se samovolným stlačením pružiny, a tedy i samovolným oddálením od ozubeného kola. To znamená, že bude kolo „prokluzovat“ a otáčet se nežádoucím směrem. K přeměně tepla (kinetická energie molekul plynu v levé nádobě) na práci (zvedání závaží) tedy nemůže dojít.
Feynman ve svých úvahách pokračoval a předpokládal, že by teplota plynu v levé nádobě byla vyšší než teplota plynu vpravo. Pak by fluktuace pružiny již nestačila kompenzovat účinek a zařízení by se začalo otáčet. To ale není perpetum mobile v podobě Maxwellova démona, ale jde o pouhou modifikaci Carnotova stroje, při němž je teplota plynu (kinetická energie) přeměněno na práci.
A přece se točí ?
Pokus, který nyní uskutečnil Devaraj van der Meer se svými kolegy z nizozemské University of Twente ukazuje, že se varianta takové rohatky točí. Základem jejich ukázky je jakási třepající se plošina, která vytváří náhodný pohyb skleněných kuliček. Ty skáčou všemi směry, jako když v mikrovlnce vyrábíte popkorn. Kuličky dopadají na lopatky „větrníku“ a roztáčí jej. A protože je pohyb jednosměrný, zdá se, že by šel využít k něčemu užitečnému.
To, co na pokusu vědci od dob Fenmana změnili, se týká vrtulky, která již není vybavena západkou bránící zpětnému pohybu. Vylepšení se týká samotných lopatek. Pokus ukázal, že když jsou lopatky z obou stran stejné, náhodně dopadající kuličky větrník neroztočí. Když na jednu stranu lopatek přilepili vroubkovanou tapetu, vrtulka se roztočí. Jde o to, že vroubkování udělá povrch lopatky pro dopadající kuličky měkčí.
Je známo, že náraz do měkkého je z hlediska předání energie „výnosnější“ a právě tím se neuspořádaný pohyb kuliček postará o roztočení vrtulky. Jakmile ale k tomu dojde, kuličky se také začnou točit. Jde o zpětnou vazbu mezi roztočenými lopatkami a okolním prostředím. Je to nutná reciprocita vztahu má dáti, dal - kuličky roztočí vrtulku a ta roztočí kuličky. A právě něco takového by se mohlo dít v našich buňkách, jen v mnohem menším měřítku, tvrdí vědci.
K tomu aby se vrtulka roztočila, potřebuje předváděný přístroj hodně skákajících kuliček. To s sebou pochopitelně nese mnoho ztrát energie v důsledku tvorby tepla a zvuku. Když začnete počítat kolik energie je potřeba na vytvoření prostředí skákajících kuliček schopných pohnout lopatkami vrtulky, zjistíte, že jde o zařízení zcela neefektivní. Druhý zákon termodynamiky se jen tak obelstít nedá. Proto není tento pokus spolu s roztáčením narážejících kuliček, důkazem existence stroje k získávání energie z Brownova pohybu", o perpetum mobile nejde. Pokus je ale významný z jiného důvodu - může totiž ozřejmit pochody, které se dějí uvnitř buněk. Nabízí se srovnání s pohybem RNA polymerázy a její posun podél vlákna DNA když syntetizuje molekulu RNA a DNA slouží jako matrice.
Podobně jako polymeráza se chová protein kinesin, ten je zase základem takzvaných vnitrobuněčných molekulárních proteinových motorů, jež přemísťují mitochondrie a další organely jako třeba chromosomy. Kinesiny jsou přepravníky, bez nichž by buňky nebyly schopny provést mitózu ani meiózu a nemohly by se dělit. Nizozemský pokus nám podsouvá otázku, zda pohyby některých molekul v buňce nejsou založeny na principu využití náhodných pohybů a zda nejsou obdobou tzv. Freemanovy rohatky. Podle Meerse by jejich „makroskopický pokus“ měl přispět k pochopení enzymatických dějů, které probíhají uvnitř buněk a využívají principu Brownova molekulárního motoru.
VIDEO: Dva tisíce náhodně se pohybujících kuliček roztáčí ozubené kolečko proti směru hodinových ručiček:
Newly created machine from Science News on Vimeo.
Pramen: University of Tvente
Poznámka
Tak jako v práci Američanů, o níž jsme psali v článku „Navzdory Einsteinovým předpokladům“, ve které nešlo o popření Einsteinova fyzikálně-matematického popisu Brownova pohybu, tak ani v tomto případě z Nizozemí nejde o popření výpočtů Feynmana dokládajících neexistenci rohatky poháněné Brownovým pohybem. V obou případech jde jen o jistý druh nadsázky, kterou mateřská pracoviště objevitelů vtipně využila k upoutání pozornosti médií. To se jim sice podařilo, ale za cenu toho, že mnohé z agenturních zpráv, které věc podrobně nevysvětlují, jsou nesmyslné.
Se snahou pracovišť upoutat na sebe pozornost za každou cenu, se zřejmě budeme setkávat často.