Fizičari oživjeli “demona” pomoću kvantne mehanike
Izrađena je kvantno-mehanička verzija Maxwellovog demona, misaonog eksperimenta starog 150 godina. Demon je jednostavan i zasad iskazuje dobro ponašanje.
Izrađena je kvantno-mehanička verzija Maxwellovog demona, misaonog eksperimenta starog 150 godina. Demon je jednostavan i zasad iskazuje dobro ponašanje.
Godine 1867. veliki fizičar James Clerk Maxwell razmišljao je o nedavno formuliranom drugom zakonu termodinamike. Jedno objašnjenje tog fizičkog zakona jest da ako se nađu dva tijela različite temperature, izolirana od ostatka svemira, njihove temperature će se približavati, a samo unos rada može učiniti jednog toplijim od drugoga – ne možete, drugim riječima, dobiti energiju iz ničega. Zakon se općenito može sažeti kao “ne postoji besplatan ručak”, te on isključuje mogućnost izuma poput neprestano pokretljivih strojeva (perpetuum mobile).
Maxwellov misao eksperiment hipotetički je proturječio drugom zakonu. Maxwell je predložio ideju sićušnog demona koji će sortirati plin koji sadrži čestice različitih energija. Čestice koje imaju više od određene energije bit će sortirane u jednu kantu, a ostatak u drugu. Za fizičara razvrstavanje ne uključuje postojanje mehaničkog rada. Ipak, razlika između sortiranih plinova – jedan s visokom energijom pa zato i vruć, a drugi hladan – mogla bi se upotrijebiti za obavljanje onoga rada koji fizičari prepoznaju.
Dakle, ako drugi zakon kaže da se entropija u izoliranom sustavu može samo povećati s vremenom, a u Maxwellovu scenariju s demonom ukupna entropija se smanjuje, pred nama je paradoks.
S vremenom su fizičari postali sve više uvjereni da je drugi zakon točan – mnogi su to vidjeli kao jednu stvar u znanosti u koju bismo mogli biti apsolutno sigurni. Ipak, iako nitko nije mogao izgraditi (ili prizvati) Maxwellovog demona, ta se ideja činila održivom u teoriji. Tek je u osamdesetim godinama prošlog stoljeća problem riješen, uz spoznaju da su troškovi obrade informacija koji su uključeni u procjenu čestica i odlučivanje što će s njima učiniti, nadmašili dobitke iz razvrstanih molekula. Dakle, takav demon ne može prekršiti drugi zakon, ili opskrbljivati energijom, ali bi mogao biti zanimljiv na druge načine.
U Zborniku Nacionalne akademije znanosti, fizičari opisuju stvaranje mikrovalne šupljine koja djeluje kao Maxwellov demon i opisuje njihov uspjeh u mjerenju njegove proizvodnje energije i gubitka iste sve do razine pojedinačnog fotona.
Jednostavni Maxwellovi demoni već su prije bili izgrađeni, ali se u tim slučajevima izbjegla kompleksnost koju kvantna mehanika dodaje sustavu. Dr. Janet Anders sa Sveučilišta Exeter i znanstvenici s pet francuskih institucija otišli su dalje. Anders je istaknula u izjavi: “Činjenica da se sustav ponaša kvantno-mehanički znači da čestice mogu imati visoku i nisku energiju u isto vrijeme, a ne samo jedan od ovih izbora, kako je smatrao Maxwell.”
Autori su stvorili supravodljivi qubit, jedinicu kvantne informacije, i ugradili ga u mikrovalnu šupljinu koja djeluje kao demon. Ovisno o energetskom stanju qubita, demon ga šalje u jedan ili drugi od dva moguća otvora. Dajući demonu nelinearnu memoriju, eksperiment mu je omogućio kodiranje posredničkih energetskih razina, a ne samo visoku i nisku razinu, kao što bi se dogodilo u klasičnom sustavu.
Tim je izmjerio entropiju i energiju sustava, uključujući demona. “Dakle, možemo pokazati kako informacije pohranjene u demonskoj memoriji utječu na izdvojeni rad”, pišu autori.
Sustav se može koristiti za hlađenje supravodljivih qubita, ako to želite učiniti, ali još je važnije da se njime može testirati je li odnos između obavljenog posla i pohranjenih informacija jednak pretpostavkama kvantne teorije. Do sada rezultati zadovoljavaju očekivanja, ali autori smatraju da bi se moglo izvesti još zanimljivih testova putem složenijeg sustava koji uključuje frekvencije prilagodljive frekvencije ili višestruko kombinirane džepove (qubite) i šupljine.
Vojska Maxwellovih demona mogla bi biti na putu.
