Demonul lui Maxwell se confruntă cu căldura

Oricine încearcă să ocolească legile fizice care guvernează căldura va fi ars.

Un nou experiment dezvăluie cum un dispozitiv care fură un sistem închis de căldură pentru a-l face mai ordonat, o acțiune interzisă de o lege a fizicii de bază, plătește inevitabil un preț devenind mai fierbinte și mai dezordonat. Este o demonstrație reală a unui experiment de gândire vechi de aproape 150 de ani, cunoscut sub numele de demonul lui Maxwell. Dacă acest demon ar putea ocoli cea de-a doua lege a termodinamicii – care afirmă că entropia sau dezordinea unui sistem izolat nu poate scădea niciodată – atunci ar fi posibil să se creeze o mașină cu mișcare perpetuă.

Demonstrația descrisă într-o lucrare care urmează să fie publicată în Scrisori de revizuire fizică este primul care monitorizează atât un sistem, cât și demonul care lucrează pentru a reduce entropia sistemului. „Este un experiment foarte frumos”, spune Eric Lutz, un fizician teoretician la Universitatea din Erlangen-Nürnberg din Germania. Lucrarea confirmă cercetările teoretice care arată că informația și căldura sunt împletite: demonul se încălzește pentru că trebuie să renunțe la informațiile pe care le-a învățat pentru a manipula sistemul. Un dispozitiv asemănător unui demon ar putea în cele din urmă să îndeplinească funcții precum refrigerarea, dar acest experiment demonstrează că dispozitivul ar consuma energie la fel ca aparatul de bucătărie.

Fizicianul scoțian din secolul al XIX-lea James Clerk Maxwell era foarte familiarizat cu a doua lege a termodinamicii. Ea explică de ce căldura curge întotdeauna de la cald la rece până când totul ajunge la o temperatură stabilă, o stare de entropie maximă. Motoarele cu abur funcționează prin exploatarea transferului de căldură pentru a antrena o turbină.

Într-o scrisoare din 1867, Maxwell a introdus o schemă care părea să joace sistemul. El și-a imaginat o entitate microscopică care monitoriza moleculele de gaz care sară în jurul a două containere învecinate. Acest „demon” ar crește diferența de temperatură dintre containere și, astfel, ar scădea entropia totală, permițând doar moleculelor cu mișcare rapidă să treacă în recipientul mai fierbinte și moleculelor cu mișcare lentă să intre în recipientul mai rece. Sortarea ar permite demonului să pornească permanent un motor.

Sortarea moleculară nu este singura modalitate de a scădea entropia – și furtul căldurii funcționează. Versiunea de laborator a demonului lui Maxwell creată de Jonne Koski, un fizician la Universitatea Aalto din Finlanda, și colegii lui au păcălit, în esență, un circuit electronic pentru a pierde căldura.

Fără demon, electronii din circuit au progresat de la energie înaltă la energie scăzută, ca și cum s-ar rostogoli pe o pantă blândă. Pe măsură ce electronii s-au rostogolit în jos, ei au eliberat energie sub formă de căldură în mediul lor, crescând temperatura și entropia sistemului.

La un moment dat, de-a lungul drumului lor, electronii au trebuit să împrumute pentru scurt timp o parte din acea energie pentru a escalada o mică denivelare – ceea ce nu este mare lucru atâta timp cât au dat-o înapoi când se rostogoleau pe denivelare. Dar demonul, sub forma unui dispozitiv de manipulare a încărcăturii, monitoriza acel obstacol. Ori de câte ori un electron scala denivelarea, demonul introducea o sarcină care transforma denivelarea într-o groapă. Electronul a trebuit apoi să consume și mai multă energie pentru a scăpa din gaură. Odată ce electronul a plecat, demonul a adus înapoi umflarea pentru următorul electron. Efectul cumulativ al electronilor care depășesc cursa cu obstacole creată de demoni a drenat căldura din mediu, ducând la o temperatură mai scăzută și o entropie mai scăzută. Un om de știință care nu cunoaște experimentul ar fi șocat să constate că sistemul încalcă aparent a doua lege.

Dar nu este nevoie să rescrieți manualele, pentru că demonul lui Koski plătește un preț. Cercetătorii au descoperit că, pe măsură ce demonul a păcălit cu electroni, acesta s-a încălzit. De fapt, s-a încălzit atât de mult încât entropia totală a sistemului și a demonului a crescut. Căldura este un produs secundar al incapacității demonului de a stoca informații despre sistemul pe care îl monitorizează. Spre deosebire de a face observații și de a le înregistra, ștergerea informațiilor necesită întotdeauna o anumită utilizare a energiei, un principiu articulat pentru prima dată de fizicianul Rolf Landauer în 1961. Deoarece demonul lui Koski poate urmări doar un electron la un moment dat, trebuie să renunțe la cunoștințele sale despre electronii din trecut – un proces de creștere a entropiei care compensează mai mult decât entropia pierdută de sistem. „Demonul trebuie să se încălzească mai mult decât se răcește sistemul”, spune Koski.

Unii fizicieni spun că, deși experimentul este convingător, ei nu sunt convinși că surprinde esența conceptului original de demon al lui Maxwell. Cu toate acestea, un dispozitiv similar cu demonul lui Koski s-ar putea dovedi util pentru răcirea dispozitivelor de dimensiuni nanometrice – chiar dacă trebuie să respecte regulile.