Ο δαίμονα του Maxwell μπορεί να κάνει την επιστροφή του. Οι φυσικοί γνωρίζουν ότι ο δαίμονας, ένα φανταστικό δημιούργημα που μειώνει την εντροπία ενός θερμοδυναμικού συστήματος, δεν μπορεί να υπάρχει σε μακροσκοπικά συστήματα εξ αιτίας της ενέργειας που χρειάζεται για να εκτελεί το ρόλο του.
Επιστήμονες έχουν διαπιστώσει ότι ο δαίμονας του Maxwell, ή ένα πλάσμα που μπορεί μερικές φορές να μειώνει την εντροπία ενός συστήματος, χωρίς να εκτελεί έργο (εδώ ανοίγει την πόρτα με κατάλληλο τρόπο ώστε να διαχωριστούν τα θερμά από τα ψυχρά μόρια , θα μπορούσε να υπάρχει σε συστήματα νανοκλίμακας, χωρίς μάλιστα να παραβιάζει οποιοδήποτε φυσικό νόμο.
Ωστόσο, μια πρόσφατη μελέτη έδειξε ότι, στη νανοκλίμακα, ο δαίμονας του Maxwell μπορεί να είναι σε θέση να κάνει τη δουλειά του με πολύ λιγότερη ενέργεια από ό,τι εθεωρείτο μέχρι σήμερα. Και αυτό οφείλεται στις μικροσκοπικές θερμικές διακυμάνσεις που εμφανίζονται στα μικροσκοπικά συστήματα.
Στη μελέτη τους, οι φυσικοί Raoul Dillenschneider και Eric Lutz του Πανεπιστημίου του Άουγκσμπουργκ στη Γερμανία προτείνουν ένα μοντέλο στο οποίο ένα νανοσωματίδιο που μπορεί να υπάρχει σε μία από δύο ενεργειακές καταστάσεις (δηλαδή, ένα διπλό πηγάδι δυναμικού) παίζει το ρόλο μιας διαγράψιμης μνήμης ενός bit. Η κατάσταση της μνήμης του σωματιδίου είναι μηδέν αν είναι στο αριστερό πηγάδι και ένα εφόσον είναι προς το δεξιό πηγάδι (φρέαρ) δυναμικού. Με την επαναφορά της αρχικής κατάστασης του σωματιδίου σε μια επιλεγμένη κατάσταση (είτε 1 είτε 0, ανεξάρτητα από την αρχική του κατάσταση), μπορεί να διαγραφεί η μνήμη του σωματιδίου. Το ερώτημα που θέτουν οι Dillenschneider και Lutz είναι πόση είναι η ακριβής ενέργεια (με τη μορφή της θερμότητας) που απαιτείται για την ολοκλήρωση της διαδικασίας διαγραφής.
Το ίδιο ερώτημα διερευνήθηκε από το φυσικό Charles Bennett το 1982, όταν έδειξε ότι ο δαίμονας του Maxwell, που είχε βάλει σε αμηχανία τους επιστήμονες από το 1867, δεν μπορεί να υπάρχει. Θεωρητικά, ο δαίμονας στέκεται ανάμεσα σε δύο γειτονικούς θαλάμους της ίδιας θερμοκρασίας. Ανοίγοντας και κλείνοντας μια πόρτα επιτρέπει στα ζεστά σωματίδια να περάσουν στον ένα θάλαμο και τα ψυχρά σωματίδια στον άλλο, ο δαίμονας φαίνεται έτσι να μειώνει την εντροπία του συστήματος, χωρίς να ξοδεύει ενέργεια και γι αυτό φαίνεται να παραβιάζει το δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής.
Όμως, όπως σημείωσε ο Bennett, η μνήμη του δαίμονα, που χρησιμοποιεί για να παρακολουθεί τις συντεταγμένες του κάθε σωματίδιο, πρέπει να επαναφέρετε στην αρχική του κατάσταση κατά τη διάρκεια του κάθε κύκλου. Η διαγραφή φυσικά της μνήμης του δαίμονα απαιτεί ενέργεια, και έτσι αυξάνει η εντροπία. Ο Bennett υπολόγισε το ελάχιστο ποσό της θερμικής ενέργειας που απαιτείται για την διαγραφή ενός μπιτ πληροφορίας, η οποία είναι γνωστή ως όριο Landau. Αποδείχθηκε ότι ο δαίμονας γεννούσε περισσότερη εντροπία ξεκαθαρίζοντας τις πληροφορίες σχετικά με τα σωματίδια από ό,τι με την ταξινόμηση των σωματιδίων στα ζεστό και το ψυχρό θάλαμο.
Ένα πράγμα δεν υπολόγισε όμως ο Bennett στην ανάλυση του, ήταν οι θερμικές διακυμάνσεις οι οποίες είναι συνήθως πολύ μικρές στις μεγάλες κλίμακες και εύκολα απορρίπτεται. Ωστόσο, αυτές οι διακυμάνσεις γίνονται κυρίαρχες στα μικροσκοπικά συστήματα, και γι αυτό οι επιστήμονες έχουν πρόσφατα αρχίσει να αναγνωρίζουν ότι ο δεύτερος νόμος πρέπει να τροποποιηθεί ώστε να αντιπροσωπεύει τις εν λόγω διακυμάνσεις.
Στην τρέχουσα μελέτη, οι Dillenschneider και Lutz υπολόγισαν τις επιπτώσεις από τις μικροσκοπικές θερμικές διακυμάνσεις στην διαγραφή της μνήμης των νανοσωματιδίων. Μέσα από υπολογισμούς και προσομοιώσεις, έχουν δείξει ότι τα νανοσυστήματα μπορούν να κάνουν αυτή τη διαγραφή με ένα ποσό θερμότητας που είναι μικρότερο από το όριο Landau. Το πόρισμα δείχνει ότι η μακροσκοπική διατύπωση της αρχής του Landau δεν ισχύει για συστήματα νανοκλίμακας, και γι αυτό θα πρέπει να γενικευθεί ώστε να συμπεριλάβει τις διακυμάνσεις της θερμότητας κατά τρόπο παρόμοιο με το δεύτερο νόμο.
“Αν ο δαίμονας του Maxwell ορίζεται σαν ένα πλάσμα που μερικές φορές είναι σε θέση να μειώσει την εντροπία του συστήματος χωρίς να εκτελέσει οποιαδήποτε εργασία, τότε θα μπορούσε κανείς να συμπεράνει ότι οι δαίμονες του Maxwell είναι πιθανόν να υπάρχουν σε συστήματα νανοκλίμακας," λέει ο Lutz.. "Ωστόσο, πρέπει να τονίσω ότι αυτές οι αρνητικές διακυμάνσεις της εντροπίας είναι θεμιτές στην νανοκλίμακα, και είναι γενικά πολύ μικρές, όπως περιγράφεται από το θεώρημα διακυμάνσεων. Το τελευταίο μπορεί να θεωρηθεί ως η γενίκευση του δεύτερου νόμου για μικρά συστήματα. Έτσι, η ύπαρξη ενός δαίμονα νανοκλίμακας δεν θα παραβιάζει οποιοδήποτε φυσικό νόμο. "
Πηγή: PhysOrg
—————————————————————————————————————————————-
Ο δαίμονας του Maxwell
Πριν 140 χρόνια δημιουργήθηκε από τον James Clerk Maxwell ένα νοητικό πείραμα (για να διαπιστώσει αν μπορεί να παραβιαστεί ο 2ος θερμοδυναμικός νόμος), που ονομάστηκε αργότερα ο "δαίμονας του Maxwell".
Ο Maxwell είχε υποθέσει ότι θα μπορούσε να εφευρεθεί κάποια οντότητα (ένας "δαίμονας") για να ενεργήσει ως θυρωρός μεταξύ δύο απομονωμένων θαλάμων αερίου, που θα άφηνε να περάσουν τα γρήγορα μόρια μόνο στον ένα θάλαμο και αφήνοντας τα αργά μόρια στον άλλο. Με αυτό τον τρόπο, πρότεινε, θα αυξανόταν σταδιακά η διαφορά στη θερμοκρασία μεταξύ των δύο θαλάμων, παραβιάζοντας κατά συνέπεια το δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής.
Ο δαίμονας του Maxwell
Παρουσιάστηκε, εντούτοις, μία ρωγμή στο νοητικό πείραμα του Maxwell. Αυτή η ρωγμή οφείλεται στο γεγονός ότι ο ίδιος ο δαίμονας θα ξόδευε κάποια ενέργεια κατά την έλεγχο της πύλης.
Ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής απαγορεύει (μεταξύ των άλλων) σε δύο σώματα ίσης θερμοκρασίας, που είναι σε επαφή μεταξύ τους και απομονωμένα από το υπόλοιπο σύμπαν, από το να εξελιχθούν σε μια κατάσταση στην οποία το ένα από τα δύο να έχει μια σημαντικά υψηλότερη θερμοκρασία από το άλλο. Ο δεύτερος νόμος εκφράζεται επίσης και ως εξής: σε ένα απομονωμένο σύστημα, η εντροπία δεν μειώνεται ποτέ.
Leave a Comment