Maxwelli deemonid igiliikuri ehitamist võimalikuks ei muuda ({{commentsTotal}})

Maxwelli deemonitel termodünaamika teisest seadusest jõud üle käi.
Maxwelli deemonitel termodünaamika teisest seadusest jõud üle käi. Autor/allikas: Wikimedia commons

Toimetas Jaan-Juhan Oidermaa

 Jaapani füüsikutel on õnnestunud eksperimentaalselt tõestada, et 1867. aastal välja pakutud mõtteline katse soojust kandvaid osakesi kontrollivatest deemonitest ei riku termodünaamika II seadust. Uurimus kinnitab, et informatsiooni on võimalik muuta vabaks energiaks.


Umbes 130 aastat tagasi lõbustas moodsa elektromagnetismi teooria rajaja James Clerk Maxwell ennast mõttega, et termodünaamika teist seadust on võimalik rikkuda. Viimane väidab, et isoleeritud süsteemis kulgevad kõik protsessid entroopia kasvu suunas ehk külmalt kehalt ei saa energia kunagi kuumemale kehale minna. Teiste sõnadega – igiliikuri ehitamine on võimatu.


 

Maxwelli kujutleimas eksisteeris deemon, kes teadis lihtsa vaatluse abil kõikide kambris olevate osakeste trajektoore ning liikumiskiirusi. Samuti saab olend avada ning sulgeda kambreid eraldavat ilma igasuguse massita luuki. Kui kambris A liikuva osakese kiirus on suurem kui kambris B, laseb deemon osakese läbi ning vastupidi. 'Kuradikese' tööpäeva lõpuks on kambris B olevad kõik osakesed energeetilisemad kui kambris A. Võrdlusena tähendaks see leigest veest kuuma vee eraldamist. Wikimedia Commons

Maxwell lõi aga oma mõtetes deemoni, kes oleks võimeline termodünaamika statistilisi seadusi eirama. Juhul, kui kuradike teaks kõikide energiat kandvate aineosakeste trajektoore ning kiiruseid. Samas oleks ta käsutuses kahe omavahel ühendatud oleva kambriga anum, millede ühenduskohta saaks vajadusel sulgeda. Eelduste põhjal saaks deemon vaevata „külmemad“ molekulid suurema kiirusega liikuvatest molekulidest välja sorteerida.


Pärast aastate pikkust mõtisklemist ei kuulutanud ta siiski, et ta on universumi alused kõikuma löönud. Selle asemel väitis Maxwell, et üleloomuliku olendi olemasolu ei ole võimalik. Võttis 62 aastat aega, kuni Leó Szilárd avaldas 1929. aastal artikli, mille kohaselt ainuüksi molekulide liikumist puudutava informatsiooni hankimisel kulutatakse piisavalt palju energiat termodünaamika teise seaduse tingimuste täitmiseks. Nüüd on Jaapani füüsikud eesotsas Masaki Sano'ga seda ka nanoskaalas eksperimentaalselt tõestanud.


Töörühm kirjeldab oma uurimuses, kuidas nad panid Browni osakest jäljendava polüstüreeni helme elektrivälja poolt tekitatud potentsiaaliväljas spiraalikujuliselt mööda potentsiaali üles ronima. Madalat soojusenergiat omava ning juhuslikes suundades liikuva osakese jälgimiseks kasutasid nad ülikiiret kaamerat.


Kui Browni osake liikus potentsiaali redelist ülespoole, lubasid nad sellel vabalt liikuda. Kui nad aga nägid, et osakese potentsiaal hakkab taas vähenema, aktiviseerid nad virtuaalse elektrivälja, mis seda takistas. Seega käitus töörühm nagu inimlik Maxwelli deemonite kollektiiv, lubades osakesel ainult ühes suunas liikuda, ilma seda kuidagi seejuures mõjutamata.


Kui osake katse käigus potentsiaali redelist ülespoole ronis, õnnestus töörühmal täpselt mõõta, kui palju energiat selle omaduste kindlaks tegemiseks kulus. Jaapani füüsikute sõnul liikus ligikaudu 28% informatsiooni hankimiseks kulutatud energiast protsessi käigus süsteemi tagasi.  Lisaks ei arvesta see katsevahendite käigus hoidmiseks kulutavat energiat, rääkimata töörühma enda energiakulust. Kuid isegi eeldades, et deemonid ise energiat ei tarbi, siseneb süsteemi piisavalt energiat kompenseerimaks helme potentsiaali tõstmist. Seega termodünaamika teist seadust ei rikuta.


Tulemused kinnitavad samuti üldistatud kujule viidud Jarzynski võrrandit, mille sõnastas Marylandi ülikooli statistilise keemiaga tegelev Christopher Jarzynski 1997. aastal. Võrrand näitab, kui palju energiat teoreetiliselt Browni osakese liikumise kohta käiva informatsiooni hankimiseks kasutatakse.


Siiski on äärmiselt vähe tõenäoline, et igiliikuri võimalikkust tõestada üritavate uurimuste ning väidete arv väheneb. See sama kehtib ka Maxwelli 'kuradikeste' kohta, millede olemasolu on käsitlenud lugematu arv uurimusi ning isegi paar raamatut. Mõned autorid on üritanud seejuures välja mõelda veelgi paremaid deemoneid.


Termodünaamika teine seadus on aga seni paika pidanud. Parafitseerides Lord Raygleigh'i 1870. aastal tehtud avaldust: „Termodünaamika teises seaduses on sama palju tõtt, kui et merre ämbritäie sooja vett visates ei ole võimalik täpselt seda sama ämbritäit pangi tagasi saada.“


Töörühma uurimus ilmus 14. novembril ajakirjas Nature Physics.



Hea lugeja, näeme et kasutate vanemat brauseri versiooni või vähelevinud brauserit.

Parema ja terviklikuma kasutajakogemuse tagamiseks soovitame alla laadida uusim versioon mõnest meie toetatud brauserist: