Nauka:
Povratak demona

Da li eksperimentalna realizacija stvorenja koje je pre 140 godina zamislio Džejms Klark Maksvel ugrožava neprikosnoveni Drugi princip termodinamike?

Prošle nedelje je tim škotskih fizičara u jednom sofisticiranom eksperimentu sa nanotehnologijama napravio Maksvelovog demona. Da li ste posle ove vesti hladni, topli, ili i dalje u termodinamičkoj ravnoteži? To, naravno, zavisi od informacija koje imate.

Možda još niste upoznali mladog ambicioznog književnog kritičara koji priprema pažnje vrednu studiju o Maksvelovom demonu u poeziji Vladislava Petkovića Disa. Možda, isto tako, ne poznajete jednog ovdašnjeg urednika koji stoički podnosi kašnjenje u prelomu novina objašnjavajući ga delovanjem Maksvelovog demona na njegove novinare i saradnike.

OTAC TERMODINAMIČKOG DEMONA: Džejms Klark Maksvel

No, za razliku od pomenute dvojice, samog Maksvelovog demona ste sigurno sreli, ili bar poželeli da sretnete, čak iako ne znate o čemu je reč i ne uzbuđujete se što su ga naučnici sa Univerziteta u Edinburgu napravili u laboratoriji. Iz ove zbrke u uvodu moglo bi se pogrešno pomisliti da je Maksvelov demon pojava koja dolazi iz sveta pisane reči, a koju su naučnici najednom materijalizovali.

Istina je da njega ima svuda u književnosti – od Montenjovog pretvaranja "kolektivnog haosa u fine, duhovne sfere", preko "Đavola perverznosti" Edgara Alana Poa do istinskog Maksvelovog demona u priči "Ponedeljak počinje u subotu" fenomenalne braće Strugacki. Međutim, Maksvelov demon nije fantastički element ili književna alegorija, već hipotetičko inteligentno biće iz najpozantijeg misaonog eksperimenta u fizici XIX veka.

PROTIV NEUREĐENOSTI: To ne znači kako Maksvelovog demona nećemo i ovde pozvati da malo razjasni i razdvoji stvari na toplo i hladno. Ako već niste u jednom takvom, neće biti teško da zamislite izolovan stan sa daljinskim grejanjem u kome su sve prostorije podjednako slabo zagrejane. Sobu u kojoj čitate "Vreme" možete dogrevati nekim kaloriferom ili kvarcnom peći, ali bi bar u mašti najbolje bilo ne ulagati novu energiju, već nekako preneti toplotu iz ostalih prostorija u vašu sobu.

REALIZOVANI DEMON: Polupropusna membrana između dve posude s gasom

Da li je moguće sakupiti u jednu sobu svu toplotu raspoređenu u stanu? Nije. Prema Drugom principu termodinamike, u izolovanom sistemu nije moguće smanjiti neuređenost, koju fizičari inače mere fizičkom veličinom po imenu entropija, a koja bi se smanjila kad bi svi "topli", to jest brzi molekuli vazduha bili dovedeni u jednu sobu, a oni sporiji izbačeni napolje.

Temperatura nekog gasa je određena srednjom brzinom molekula. Bez ulaganja energije spolja, brzi molekuli se uvek prirodno mešaju sa sporima. Stanje ravnoteže podrazumeva najveći haos, najveću neuređenost. Ako je jedna soba ispunjena vrelim vazduhom, a druga ledenim, brzi molekuli će iz tople sobe krenuti ka hladnoj, a to mešanje će se nastaviti sve dok se između soba ne uspostavi ista temperatura, to jest dok ne dođe do termodinamičke ravnoteže. Povratni proces nije moguć isto kao što se neka količina toplote ne može preneti sa hladnijeg na toplije telo. Inače bi hladna džezva za kafu grejala usijanu ringlu, a ne obrnuto. Kad bi to bilo izvodljivo, bilo bi moguće napraviti i perpetuum mobile druge vrste.

MISAONI EKSPERIMENT: Kako bi doskočio ovom fundamentalnom ograničenju, slavni škostki fizičar Džejms Klark Maksvel (1831–1879) smislio je 1871. godine svog demona. Maksvel je zamislio inteligentno stvorenje koje bi stajalo na vratima između dve sobe i bilo u stanju da razlikuje molekule po brzinama. Ako ovaj demon kroz vrata propušta u sobu A samo brze molekule koji u svom kretanju naiđu do vrata, a u sobu B samo spore, posle izvesnog vremena u sobi A će biti svi brzi, to jest "topli", a u sobi B samo "hladni" molekuli.

To znači da će se temperatura sobe A povećati, a sobe B smanjiti. Demon ne ulaže energiju, ne transportuje molekule, ali bi njegovo propuštanje ipak dovelo do toga da se soba A zagreje, a B ohladi. Takođe, razdvajanjem molekula bi se povećala uređenost sistema. Da li bi takav demon narušavao Drugi princip termodinamike? Očigledno, bar na prvi pogled.

U svom originalnom misaonom ekperimentu, Maksvel je zamislio ne dve podjednako zagrejane sobe sa vratima, već dve posude sa gasom i polupropusnom membranom. Inteligentnom vrataru koga je Maksvel smislio, naziv Maksvelov demon dao je Norbert Vajner. Kad je smislio ovaj paradoks, Maksvel je mogao očekivati njegova razna objašnjenja, ali teško da je mogao zamisliti kako će jednom biti realizovan sam – demon.

Nalik demonu, komercijalna pneumatska pumpa poznata kao Ranke-Hilšov vrtlog, u stanju je da u cevi razdvoji topao od hladnog vazduha, ali je izvesno da ovaj uređaj ulaže energiju i ne narušava Drugi princip. Mada i atomske zamke koje se koriste u fizici čestica mogu da se ponašaju kao sam demon, i one koriste izvesnu energiju.

S druge strane, već izvesno vreme postoji ideja da bi se demon koji samo propušta molekule mogao napraviti pomoću nanomatarijala. Sačinjene od nekoliko molekula i nazvane tako zbog svojih dimenzija koje su reda nanometra (10-9 m), nanostrukture se poslednjih godina toliko intenzivno proučavaju da je njima postalo vrlo lako manipulisati.

REZA NA VRATIMA: Prošle nedelje je u časopisu "Nature" predstavljen ekperiment u kome je demon zaista uspešno razdvajao "tople" od "hladnih" molekula. Maksvelovi zemljaci, Dejvid Li i njegov tim sa Univerziteta u Edinburgu napravili su svetlosnu kapiju kojom su kontrolisali prolaz molekula između dve posude sa gasom. Da bi to izveli, koristili su "rotaksan", skup molekula u obliku osovine i prstena koji se po prijemu svetlosnog impulsa otvarao i zatvarao, nalik na propuštanje "toplih" i "hladnih" molekula.

Lijev eksperiment je postavljen kako bi se ispitao Drugi princip termodinamike i u njemu je dokazano da ga Maksvelov demon zapravo ne narušava. Budući da obavlja istu funkciju kao zamišljeni Maksvelov demon, ova prstenasta nanostruktura, nazvana "informaciona reza" naoko ne koristi energiju za razdvajanje molekula i time narušava Drugi princip termodinamike. Međutim, nije tako. Li i njegovi saradnici pokretali su svoju kapiju pomoću svetlosnih impulsa koji unose izvesnu energiju u sistem. Uređenost se zaista povećava, ali sistem nije izolovan.

To podseća na žive organizme u kojima se tokom rasta i razvoja entropija neprestano smanjuje, što je u suprotnosti sa Drugim principom. No, živi organizmi postaju uređeniji jer nisu izolovani i neprestano koriste energiju koja im dolazi spolja. Inače, u prirodi zaista postoje sistemi koji se ponašaju kao Maksvelovi demoni. Takve su takozvane jonske pumpe u mozgu koje omogućuju rad nervnog sistema. Misli se u mozgu javljaju zahvaljujući njima, ili drugim rečima, zahvaljujući Maksvelovom demonu.

TEORIJA INFORMACIJA: Izvesno da je priča o Maksvelovom demonu i entropiji ipak malo dublja od jednog termodinamičkog paradoksa koji naučnici ispituju u eksperimentima. Koncept entropije je 1850. godine u fiziku uveo nemački fizičar Rudolf Klauzijus kako bi opisao haotičnost termodinamičkih sistema, ali je ona odavno prešla granice klasične fizike.

Kao mera neuređenosti, ova veličina je zajedno s Maksvelovim demonom u XX veku bila inspirativna za umetnost i filozofiju, pa čak i za istoriju (vidi okvir). Uz to, danas je izuzetno važna u kosmologiji i kvantnoj fizici, a posebno u teoriji informacija bez koje ne bi bio moguć rad mnogih savremenih komunikacionih sredstava.

Teoriju informacija je utemeljio genijalni američki matematičar Klod Elvud Šenon (1916), pokušavajući da pronađe način kojim bi se upravljalo šumom u komunikacionim uređajima. Slučajni, takozvani random šum je neizbežan u električnim kolima i moglo bi se reći da potiče od toplotnog kretanja elektrona, zbog čega se naziva i termalni šum.

Shvativši da ima posla sa termodinamičkom pozadinom i neizbežnošću neuređenosti, Šenon je u teoriju informacija uveo entropiju, smatrajući informaciju negativnom entropijom. Pritom je čak izračunao kolika se minimalna energija troši da bi se jedan bit informacije poslao kroz termalni šum. Mada ne izgleda tako, ovo najbolje može da objasni Maksvelov paradoks.

EGZORCIZAM: Može se čak reći da je teorija informacija prva zaista izvršila egzorcizam Maksvelovog demona. Kako bi mogao da prepozna koji su molekuli vazduha brzi i topli, a koji spori i hladni, on mora da sakupi informaciju o njima. A, prema Šenonovoj teoriji infomacija, za to će morati da uloži izvesnu energiju.

Slično je Maksvelov paradoks 1929. godine objasnio i poznati američki fizičar Leo Silard. On je zaključio da bi demon, pre nego što propusti molekul kroz vrata, morao da izvrši kvantnomehaničko merenje njegove brzine, što zahteva određenu energiju, pa njegovo ponašanje ne narušava Drugi princip termodinamike. Lijev eksperiment je to samo dodatno potvrdio u praksi.

S obzirom na implikacije i univerzalnost, Drugi princip je oduvek bio više od jednog postulata u termodinamici. Džejms Klark Maksvel je nepovratnost fizičkih procesa koja iz njega prositiče uporedio sa "peharom punim vode u koji, nakon što se prospe u okean, nije moguće iz okeana ponovo zahvatiti prosutu vodu".

Slobodan Bubnjević