Fyzik James Clerk Maxwell se v roce 1867 nudil a udělal velkou neplechu. Vypustil do termodynamiky démona, který tam straší dodnes. Naštěstí se ale ukázalo, že je to velmi inspirativní zloduch. Maxwell tehdy v myšlenkovém experimentu navrhl narušení druhého termodynamického zákona ďábelsky důmyslným způsobem.
Jeho experiment počítal s „démonem“, miniaturní inteligentní bytostí, která je u dvířek mezi dvěma komorami naplněnými plynem. Dovnitř jedné komory pouští pouze rychlé částice, zatímco do druhé propouští jen pomalé. Výsledkem je, že se jedna z komor ohřívá a druhá se ochlazuje. Problém je v tom, že tím klesá entropie. Podle druhého termodynamického zákona přitom v izolovaném systému nemůže entropie klesat, aniž by jinde došlo k jejímu odpovídajícímu nárůstu.
Nedávno se tímhle fyzikálním démonem zabýval se svými kolegy Clemens Bechinger z německé Universität Konstanz. Zjistili, že Maxwellův démon dokáže vytěžit více energie z fyzikálního systému, v jehož paměti je ukrytá informace, než ze systému bez paměti. Jak se zdá, samotnou informaci o fyzikálním systému lze využít k získání užitečné práce z dotyčného systému.
Bechingerův tým ale nezůstal jen u teorie. Postavili si skutečnou verzi Maxwellova démona. Pomocí laserového paprsku polapili mikroskopickou skleněnou kuličku, která se nacházela v kapalině. Ani v sevření laserové pasti ale kulička nebyla úplně nehybná. Molekuly okolní kapaliny do ní neustále narážely, takže se neustále chvěla a poskakovala kvůli Brownovu pohybu.
Sledováním polohy kuličky mohli vědci určit, kdy posunout laserovou past tak, aby využili její pohyb a získali při tom trochu energie. To je základní princip informačního motoru. Jde o využití znalostí o systému k přeměně jinak náhodného pohybu na užitečnou práci. Má to ovšem háček. Informační motor může využívat pouze informace, ke kterým má přístup.
##seznam_reklama##
Z toho důvodu Bechinger a spol. použili kapalinu, která nebyla jen tak obyčejnou vodou. Ve skutečnosti obsahovala množství micel, které připomínaly klubko a vytvářely mikroskopickou síť. Když se kulička hýbala kvůli Brownovu pohybu, síť micel uchovávala stopy předchozího pohybu kuličky, které mohly ovlivnit, kam se kulička vydá příště. Fungovalo to. Badatelé za příznivých podmínek získali ze systému až trojnásobek práce oproti teoretickému limitu pro odpovídající systém bez paměti micel. Maxwellův démon má jistě radost.
Video: Reversing Entropy with Maxwell's Demon
Video: Clemens Bechinger – Colloidal particles in non-Markovian fluids far from equilibrium
Literatura