Παραβιάζεται ο Δεύτερος Θερμοδυναμικός Νόμος

                  Άρθρο από το Physics Web και Scientific American    Αύγουστος  2002 

Μια απόκλιση από τον Δεύτερο Θερμοδυναμικό Νόμο αποδείχθηκε πειραματικά για πρώτη φορά. Ο Denis Evans του Εθνικού Πανεπιστημίου της Αυστραλίας και οι συνάδελφοί του έδειξαν ότι η εντροπία μπορεί να μειώνεται μάλλον αντί να αυξάνεται, σε μικρά συστήματα και για μικρές χρονικές περιόδους. Η επιτυχία αυτή επιβεβαιώνει παλαιότερες προβλέψεις του Evans και των συναδέλφων του που έγιναν πριν από 10 χρόνια. (G Wang et al 2002 Phys. Rev. Lett. 89 050601).

Ο Δεύτερος Νόμος της Θερμοδυναμικής λέει ότι η εντροπία ή αλλιώς η αταξία ενός απομονωμένου συστήματος που υφίσταται μια κυκλική μεταβολή, θα αυξάνεται ή θα παραμένει σταθερή. Θα παραμένει σταθερή μόνο αν η μεταβολή είναι αντιστρεπτή. Ο νόμος όμως αυτός εφαρμόζεται μόνο σε μεγάλα συστήματα και για μεγάλες χρονικές περιόδους. Για παράδειγμα,  ένα ζεστό αναψυκτικό θα μεταβιβάσει αυθόρμητα θερμότητα στον αέρα που το περιβάλλει (εφόσον αυτός είναι ψυχρότερός του), με ταυτόχρονη αύξηση της αταξίας του συστήματος: αναψυκτικό - αέρας. Ο αέρας όμως δεν μπορεί να θερμάνει το υγρό χωρίς εμείς να δώσουμε ενέργεια στο σύστημα.

Για να εξηγήσουν την συμπεριφορά μικρότερων συστημάτων ο Evans και οι συνάδελφοί του, επινόησαν το "θεώρημα της διακύμανσης", το οποίο μας υπολογίζει την πιθανότητα της κατανάλωσης της εντροπίας σε οποιοδήποτε σημείο κατά τη διάρκεια της κυκλικής μεταβολής.  Βρήκαν λοιπόν ότι το θεώρημα αυτό προέβλεπε ότι μετρήσιμες παραβιάσεις του Δεύτερου Νόμου θα συνέβαιναν στα μικρά συστήματα για μικρές χρονικές διάρκειες. 

Για να ελέγξουν την ιδέα, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν 100 ελαστικές χάντρες με διάμετρο 6,3μm η καθεμιά, μέσα σε μια κυψελίδα με νερό. Το όλο σύστημα τοποθετήθηκε πάνω στην τράπεζα παρατήρησης ενός μικροσκοπίου. Οι ερευνητές εστίασαν μια δέσμη λέϊζερ σε μια από τις χάντρες, το οποίο δημιούργησε στη χάντρα μια διπολική ροπή με επαγωγή. Η διπολική ροπή της χάντρας αλληλεπίδρασε με το ηλεκτρικό πεδίο του λέϊζερ, φέρνοντας τη χάντρα στο σημείο της δέσμης με την μεγαλύτερη ένταση πεδίου. Η δύναμη που δρούσε στο σωμάτιο κοντά στην εστία της δέσμης λέϊζερ ήταν αρμονική. Χρησιμοποιήθηκε δηλαδή μια οπτική λαβίδα για να μετακινηθεί η χάντρα.

Μόλις η χάντρα παγιδεύτηκε στη θέση με την μεγαλύτερη ένταση, οι ερευνητές μετακίνησαν την τράπεζα παρατήρησης του μικροσκοπίου, επανειλημμένα εμπρός και πίσω, μετακινώντας τη χάντρα μέσα και έξω από την εστία της δέσμης του λέιζερ. Η τράπεζα του μικροσκοπίου μετακινιόταν 540 φορές ανά 10 δευτερόλεπτα, και η ομάδα μετρούσε την θέση της χάντρας 1000 φορές το δευτερόλεπτο. Συνδυάζοντας τις μετρήσεις αυτές με την ισχύ της δέσμης λέιζερ και την μετακίνηση του υγρού, η ομάδα του Evans μπόρεσε να υπολογίσει τις δυνάμεις που ασκούνταν στη χάντρα - και την παραγωγή εντροπίας - καθώς η χάντρα μετακινιόταν.   

Ο Evans και οι συνεργάτες του βρήκαν ότι σε μερικές από τις τροχιές η εντροπία καταναλωνόταν μάλλον παρά αυξανόταν. Η διαδικασία αυτή δηλώνει ότι έχουμε παραγωγή έργου από μια μόνο θερμική δεξαμενή. Το φαινόμενο αυτό παρατηρείτο όταν οι ερευνητές παρατηρούσαν τη συμπεριφορά της χάντρας για χρονικές διάρκειες της τάξης ενός δεκάτου του δευτερολέπτου. Για χρονικές περιόδους που έφταναν τα δύο δευτερόλεπτα, η αναλογία των τροχιών που κατανάλωναν εντροπία, μειωνόταν, και για παρατηρήσεις άνω των δύο δευτερολέπτων, καμία τροχιά που να καταναλώνει εντροπία δεν παρατηρήθηκε. Η ομάδα επίσης βρήκε ότι τα αποτελέσματά της ταίριαζαν με εξομοίωση του θεωρήματος της διακύμανσης από τον υπολογιστή. 

Ο Evans και οι συνεργάτες του λένε ότι η ανακάλυψή τους θα μπορούσε να είναι σημαντική στο σχεδιασμό των νανομηχανών. Υποδεικνύουν επίσης ότι καθώς τα θερμοδυναμικά συστήματα γίνονται μικρότερα, αυξάνεται η πιθανότητα να εκτελούν και τις αντίστροφες μεταβολές. Κάτι τέτοιο Θα βελτιώσει την κατανόησή μας για το πως εργάζονται ορισμένα  βιολογικά συστήματα, όπως λόγου χάριν οι "πρωτεϊνικοί κινητήρες".