Megidézték Maxwell démonát

Az Edinburgh-i Egyetem kutatói David Leigh vezetésével próbálták életre kelteni James Clerk Maxwell 140 éve elgondolt démonát. A Nature hasábjain közölt megoldás ugyan nem igazi Maxwell-démon, de nagyon közel jár ahhoz: a létrehozott molekula képes az egyensúlyi helyzettől eltávolodni, annak ellenére, hogy a fizika egyik alaptörvénye, a termodinamika sokszorosan igazolt második főtétele ennek ellenkezőjét mondja ki.

Az Edinburghban született Maxwell (1831-1879) Newtonhoz és Einsteinhez mérhető fizikus volt. A nevéhez fűződő elektrodinamikai törvények megalkotását a XIX. századi fizika legnagyobb eredményének tartják. Megalkotta a gázok kinetikus elméletét is, és a statisztikus mechanika kidolgozásának is egyik úttörője volt.

A nevét viselő démon valójában egy gondolatkísérlet, amellyel Maxwell a második főtétel statisztikus jellegét akarta illusztrálni. Feltalálók és filozófusok seregét foglalkoztatta évtizedeken át Maxwell démona, mert utánzásával megvalósult volna a másodfajú örökmozgó (olyan periodikusan működő gépezet, amely egyetlen hőtartály felhasználásával képes a részecskék véletlenszerű mozgásaiból származó energiát munkává alakítani).

Az eredeti démon

Maxwell gondolatkísérletében két, gázzal teli szobát összeköt egy ajtó. Itt áll a démon és figyeli a gázmolekulák mozgását. Ha egy nagyon gyorsan mozgó közeledik felé, akkor kinyitja az ajtót, és a molekula átrepül a másik szobába. Itt tehát egyre több lesz a gyors molekula, vagyis egyre magasabb lesz a hőmérséklet. A démon a másik irányba a lassabbakat engedi át. A két szobában kezdetben egyforma a gázok sebességeloszlása és a hőmérséklet.

A gyors és lassú molekulák démoni beavatkozással való szétválogatása után viszont hőmérsékletkülönbség lép fel, s az egyik szoba melegebb lesz, mint a másik. Következésképpen a rendszer potenciális energiája úgy növekszik, hogy nem jutattunk be energiát. Márpedig éppen ez az, aminek a lehetőségét teljes mértékben cáfolja a termodinamika második főtétele, amely kimondja, hogy a hidegebb testtől nem áramolhat át hő spontán egy melegebb testbe. Más megfogalmazásban: egy magára hagyott rendszer a rendezettségből a rendezetlenség irányába mozog (entrópiája nő), és fordítva soha.

A démon azzal tett csodát, hogy akadálytalanul, munkavégzés nélkül nyitotta-csukta az ajtót, szellemi lény lévén táplálkoznia sem kellett. A valóságban az ajtónyitogató munkát végezne, tehát energiát vinne be a rendszerbe, így ez esetben akkor sem sérülne a második főtétel, ha sikerülne különválasztani a lassabb és gyorsabb molekulákat.

Napjaink skót démona

Más kutatók több korábbi próbálkozása után Edinburgh-i kutatók olyan molekuláris gépezetet építettek, amelyben egy gyűrűs szerkezetű molekula egy tengely, vagyis egy hosszú szerves molekula mentén mozog. A tengely két végén egy-egy kiálló molekularész akadályozza meg, hogy a gyűrűs molekula leugorjon a tengelyről, tehát csak a tengely mentén mozoghat, véletlenszerűen, oda-vissza. A tengelyre egy kaput is illesztettek, ami szintén egy szerves molekula.

A hosszú szerves molekulának (a "tengelynek") két olyan pontja van, ahova a gyűrűs molekula könnyen odaragad. Ez a kapcsolódás azonban nem végleges, a molekula bizonyos idő elteltével újra útnak indul a tengely mentén, és ha jó irányba megy, akkor beleütközik a kapuba. Ha a kaput nyitva találja, továbbmegy, ha nem, akkor a szabad térfélen mozog le-föl, majd előbb-utóbb ismét a kapunál találja magát.

A kapus démon szerepét egy ún. sztilbén-molekula játssza el. A sztilbén-molekula két gyűrűjét két szénatom kapcsolja egymáshoz (C6H5-CH=CH-C6H5). A molekula kétféle térbeli alakzatot vehet fel (melyek között csak az a különbség, hogy egyes atomcsoportjai különböző síkban helyezkednek el, tehát ún. sztereoizomerek). Az egyik alak, a transz-sztilbén, ultraibolya fény hatására átalakul a másikba, cisz-sztilbén lesz. Ezek felelnek meg a nyitott, illetve zárt kapunak.

A kapu normál állapotban zárva van. Kinyitására az odaérkezett gyűrű ad jelet, de csak akkor, ha őt magát fény érte. A gyűrű ekkor a fény formájában kívülről kapott energia egy részét átadja a kapu-molekulának, mire az átrendezi magát olyan alakba, hogy a gyűrű áthaladhasson rajta, majd rövid idő után a molekula visszarendeződik, a kapu magától becsukódik. Ha a kapu a tengely közepén lenne, nem tudná felborítani az egyensúlyt, és a vándorló gyűrű egyforma valószínűséggel fordulna elő a kaputól jobbra és balra. A kaput azonban nem középre építették: a sztilbén a tengely szerepét betöltő szerves molekula egyik végéhez jóval közelebb van, mint a másikhoz. A rövidebb oldalról gyakrabban ér hozzá a vándorló gyűrű, arról az oldalról gyakrabban kap utasítást kapunyitásra, ezért a gyűrű nagy valószínűséggel a tengely hosszabbik szakaszára kerül.

Egy több millió molekulát tartalmazó rendszerben néhány perc alatt a normális fele-fele arányról 70:30 arányra változott a gyűrűk elhelyezkedése a térfeleken. A korábbi egyensúly felbomlott, a démon tehát sikeresen működött. Működése azonban mégsem csoda, nem tudta megváltoztatni a fizika törvényeit. Nem volt ugyanis igazi szellemi lény, mint Maxwell teremtménye, hiszen energiát vett fel a közelébe került gyűrűtől.

A trükkös molekuláris gépezet új utakat nyithat a kémiában, kémiai rendszereket az egyensúlytól való eltávolodásra késztethet. A kutatók most egy olyan molekuláris gépezet építésére készülnek, amellyel egy membránon való áthaladásra ösztönözhetik az ionokat úgy, hogy a kevésbé sűrű helyről mozogjanak a sűrűbb felé. Ez is a Maxwell-démon egyik változata (lenne): a démon megteheti, hogy csak akkor nyit ajtót, ha a ritkább levegőjű szobából "akar" egy molekula átmenni a másik szobába. Hasonló molekuláris folyamatok modellezése, részleteinek nyomon követése hozzásegíthet majd az élő szervezetekben zajló sokféle, szabályozott molekuláris mozgás jobb megértéséhez.

Jéki László