Újra felbukkant a Maxwell-démon: információból nyertek energiát fizikusok

A fizika törvényei szerint a semmiből nem nyerhető energia. Ami még rosszabb: a fizikai  rendszerbe bevitt energiát sem nyerhetjük maradéktalanul vissza. Egy XIX. századi paradoxon által ihletett, nanoskálájú kísérlet azonban megdönteni látszik ezeket a törvényeket, és megmutatja, hogy energia nyerhető információból. Vagy ha nem is magából az információból, a megfigyelés mégis különös szerephez jut az alábbi kísérletben.

Szano Maszaki, a Tokiói Egyetem fizikusa és munkatársai igazolták, hogy egy gyöngy energia befektetése nélkül is felcsalogatható egy "csigalépcsőn". Az elv: csak a nagyobb ellenállás irányába engedték mozogni a gyöngyöt, amelynek pozícióját állandóan figyelték. Ebben az értelemben az "információ alakul át az energiává" - mondja Szano.

Az ötletgazda nem más, mint James Clerk Maxwell skót fizikus. Az ő tizenkilencedik századi, már akkor is vitatott gondolatkísérlete azt sugallta, hogy a megfelelő információ birtokában hideg tárggyal is fűthetünk melegebbet. Gondolatkísérletében egy parányi démon őrt áll egy ajtónál két gázzal teli szoba között, és a gyors mozgású molekulákat csak az egyik, a lassúakat csak a másik irányba engedi át.

Ennek eredményeként az egyik szoba fokozatosan felmelegszik (mert benne a molekulák átlagsebessége nagyobb lesz), a másik pedig lehűl. A démon tehát anélkül, hogy megváltoztatná a gázmolekulák energiáját, pusztán sebességük ismeretében hőmérsékletkülönbséget hoz létre. Úgy tűnik, ez sérti a termodinamika második főtételét, amely kimondja, hogy egy rendszert energia-bevitel nélkül nem válhat rendezettebbé. Maxwell feltételezte, hogy az ajtó nyitogatásához nem kell energia.

A paradoxon a gyakorlatban

Szano és kollégái a kísérlet megvalósításához egy nanoméretű (a nanométer a milliméter milliomod része), megnyúlt alakú polisztirol gyöngyöt használtak, amely egy folyadéktartályban az óramutató járásával megegyező és azzal ellentétes irányba is elfordulhatott. A kutatócsoport a gyöngy körüli elektromos tér beállításával fokozatosan egyre nehezebbé tette a gyöngy számára az óramutató járásával ellentétes irányú, teljes 360 fokos fordulatot . Ezzel gyakorlatilag egy elektromos "csigalépcsőt" hoztak létre, melyen nehezebb "felfelé haladni", azaz az óramutató járásával ellentétes irányban forogni, mint "lefelé", az óramutató járásával megegyező irányban.

A gyöngyöt magára hagyva azt véletlenszerűen lökdösték a környező molekulák. Néha elég lökést kapott ahhoz, hogy magasabb lépcsőfokra lépjen, de természetesen gyakrabban lépett lefelé. A helyzet azonban megváltozott, amikor a csapat működésbe hozta saját fejlesztésű Maxwell-démonát. Figyelemmel kísérték a gyöngy mozgását, és amikor az véletlenszerűen óramutató járásával ellenkező irányba fordult, gyorsan állítottak a feszültségen. Ez felelt meg annak, hogy az ekvivalens Maxwell-démon becsapja az ajtót egy gázmolekula előtt. Ezáltal nehezebb lett a gyöngynek az óramutató irányában elfordulni, így "felfele" kezdett mászni, anélkül, hogy közvetlenül energiát közöltek volna vele.

A kísérlet valójában nem sérti a termodinamika második főtételét, mert a rendszerben mint egészben, energiát kell fogyasztani a gépeknek és a kísérletezőknek. A gyöngy figyelemmel kísérése és szükség esetén a feszültség kapcsolgatása energiaigényes, de az információt ebben az esetben fel lehet használni az energiaátadás közegeként. A kutatók szerint a gyöngy mozgatásakor 28%-os hatékonysággal alakították át az információt energiává.

"Ez egy gyönyörű igazolása annak, hogy az információnak van termodinamikai aspektusa" - mondja Christopher Jarzynski, a Maryland Egyetem statisztikai vegyésze. Ő 1997-ben felállított egy egyenletet, melynek segítségével az egységnyi információval kinyerhető energia mennyiségét lehet megbecsülni. Szano és csapata most kísérletileg igazolta ezt az egyenletet, mely nem mond ugyan ellent a második főtételnek, de mégis mond újat a termodinamikai törvények mikroszkopikus szintű működéséről.

Vlatko Vedral, az Oxford Egyetem kvantumfizikusa szerint ez a technika alkalmas lehet majd nanomotorok és mesterséges molekuláris gépek működtetéséhez. "Végül is minden élő rendszer olyan Maxwell-démon, amely a véletlenszerűségbe visszafordító tendenciával próbál szembeszállni" - mondja. Ez akkor is igaz, hogy ha ezt a Maxwell-démont etetni kell, azaz energiát fogyaszt.