Maxwelli deemon

Maxwelli deemon on 1867. aastal James Clerk Maxwelli välja pakutud mõtteline katse termodünaamika teise põhimõtte rikkumiseks. 

Umbes 130 aastat tagasi lõbustas moodsa elektromagnetismi teooria rajaja James Maxwell ennast mõttega, et termodünaamika teist seadust on võimalik rikkuda. Viimane väidab, et isoleeritud süsteemis kulgevad kõik protsessid entroopia kasvu suunas ehk külmalt kehalt ei saa energia kunagi kuumemale kehale minna. Teiste sõnadega – igiliikuri ehitamine on võimatu.

Maxwell lõi aga oma mõtetes deemoni, kes oleks võimeline termodünaamika statistilisi seadusi eirama. Juhul, kui kuradike teaks kõikide energiat kandvate aineosakeste trajektoore ning kiiruseid. Samas oleks ta käsutuses kahe omavahel ühendatud oleva kambriga anum, mille ühenduskoha saaks vajadusel sulgeda. Eelduste põhjal saaks deemon vaevata „külmemad“ molekulid suurema kiirusega liikuvatest molekulidest välja sorteerida.

Maxwelli kujutles olendit, kes teadis lihtsa vaatluse abil kõikide kambris olevate osakeste trajektoori ja liikumiskiirust. Samuti saab olend avada ja sulgeda kambreid eraldavat ilma igasuguse massita luuki. Kui kambris A liikuva osakese kiirus on suurem kui kambris B, laseb deemon osakese läbi ning vastupidi. Kuradikese tööpäeva lõpuks on kambris B olevad kõik osakesed energeetilisemad kui kambris A. Võrdlusena tähendaks see leigest veest kuuma vee eraldamist.

Pärast aastatepikkust mõtisklemist ei kuulutanud ta siiski, et ta on universumi alused kõikuma löönud. Selle asemel väitis Maxwell, et üleloomuliku olendi olemasolu ei ole võimalik. Kulus 62 aastat, kuni Leó Szilárd avaldas 1929. aastal artikli, mille kohaselt ainuüksi molekulide liikumist puudutava informatsiooni hankimisel kulutatakse piisavalt palju energiat termodünaamika teise seaduse tingimuste täitmiseks. Nüüd on Jaapani füüsikud eesotsas Masaki Sanoga seda ka nanoskaalas eksperimentaalselt tõestanud.

Töörühm kirjeldab oma uurimuses, kuidas nad panid Browni osakest jäljendava polüstüreeni helme elektrivälja tekitatud potentsiaaliväljas spiraalikujuliselt mööda potentsiaali üles ronima. Madalat soojusenergiat omava ning juhuslikes suundades liikuva osakese jälgimiseks kasutasid nad ülikiiret kaamerat.

Kui Browni osake liikus potentsiaali redelist ülespoole, lubasid nad sellel vabalt liikuda. Kui nad aga nägid, et osakese potentsiaal hakkab taas vähenema, aktiveerisid nad virtuaalse elektrivälja, mis seda takistas. Seega käitus töörühm nagu inimlik Maxwelli deemonite kollektiiv, lubades osakesel ainult ühes suunas liikuda, ilma seda kuidagi seejuures mõjutamata.

Kui osake katse käigus potentsiaali redelist ülespoole ronis, õnnestus töörühmal täpselt mõõta, kui palju energiat selle omaduste kindlaks tegemiseks kulus. Jaapani füüsikute sõnul liikus ligikaudu 28% informatsiooni hankimiseks kulutatud energiast protsessi käigus süsteemi tagasi. Lisaks ei arvesta see katsevahendite käigus hoidmiseks kulutavat energiat, rääkimata töörühma enda energiakulust. Kuid isegi eeldades, et deemonid ise energiat ei tarbi, siseneb süsteemi piisavalt energiat kompenseerimaks helme potentsiaali tõstmist. Seega termodünaamika teist seadust ei rikuta.

Tulemused kinnitavad samuti üldistatud kujule viidud Jarzynski võrrandit, mille sõnastas USA Marylandi ülikooli statistilise keemia spetsialist Christopher Jarzynski 1997. aastal. Võrrand näitab, kui palju energiat teoreetiliselt Browni osakese liikumise kohta käiva informatsiooni hankimiseks kasutatakse.

Siiski on äärmiselt vähe tõenäoline, et igiliikuri võimalikkust tõestada üritavate uurimuste ning väidete arv väheneb. See sama kehtib ka Maxwelli kuradikeste kohta, mille olemasolu on käsitlenud lugematu arv uurimusi ning isegi paar raamatut. Mõned autorid on üritanud seejuures välja mõelda veelgi paremaid deemoneid.

Termodünaamika teine seadus on aga seni paika pidanud. Parafraseerides lord Raygleigh' 1870. aastal tehtud avaldust: „Termodünaamika teises seaduses on sama palju tõtt, kui et merre ämbritäie sooja vett visates ei ole võimalik täpselt sedasama ämbritäit tagasi saada."

Termodünaamika
Mõttelised eksperimendid