Μετατροπή πληροφοριών σε καθαρή ενέργεια: Μια ιδέα του Maxwell 150 χρόνια πριν

Τρίτη, Νοεμβρίου 23, 2010

Αναζήτηση Θέματος

Για πρώτη φορά, επιστήμονες κατάφεραν να μετατρέψουν πληροφορίες σε καθαρή ενέργεια, επιβεβαιώνοντας την ιδέα για ένα πείραμα που είχε πρωτοδιατυπωθεί πριν από 150 χρόνια.

James Clerk Maxwell
(1831 - 1879)

Η αρχική ιδέα ήταν του φυσικού James Clerk Maxwell, αλλά βρήκε πολλές διαφωνίες γιατί φαινόταν πως παρέβαινε το δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής. Σε πειραματικούς όρους, ο νόμος αυτός αναφέρει πως όταν το ζεστό και το κρύο νερό αναμειχθούν, φτάνουν τελικά σε μία ισορροπημένη μέτρια θερμοκρασία.

Ο Maxwell υποστήριζε πως ένα υποθετικό ον (το οποίο μετέπειτα πήρε το όνομα «δαίμονας του Maxwell») θα μπορούσε να διαχωρίσει το νερό σε δύο μέρη και να αντιστρέψει τη διαδικασία, απομονώνοντας τα ζεστά μόρια από τα κρύα, επιτρέποντας μόνο στα θερμότερα του μετρίου μόρια να περάσουν από μία «πόρτα-παγίδα» μεταξύ των δύο μερών.

Επειδή το χλιαρό νερό θεωρείται πιο ακατάστατο (π.χ. έχει μεγαλύτερη εντροπία) από το διαχωρισμένο νερό, ο «δαίμονας» μετέτρεψε ένα ακατάστατο σύστημα σε σύστημα τάξης, χρησιμοποιώντας μόνο πληροφορίες (τη γνώση ποια μόρια ήταν ζεστά και κρύα).

Το παραπάνω φαίνεται να παραβαίνει το νόμο, σύμφωνα με τον οποίο η εντροπία δε θα πρέπει να μειώνεται σε ένα απομονωμένο σύστημα. Με άλλα λόγια, ο «δαίμονας» δε θα έπρεπε να μπορεί να διαχωρίσει το ζεστό και το κρύο νερό χωρίς να καταναλώνει ενέργεια.

Ένας μεταγενέστερος Ούγγρος φυσικός, ο Leó Szilárd, υποστήριζε πως η εν λόγω διαδικασία δεν παραβαίνει τους νόμους της φυσικής, γιατί στην πραγματικότητα ο «δαίμονας» θα έπρεπε να καταναλώσει ενέργεια για να εξακριβώσει ποια μόρια είναι ζεστά και ποια κρύα.

Παρόλο που οι επιστήμονες συνέχισαν να διαφωνούν όσον αφορά τη θεωρία, κανείς στο παρελθόν δε δοκίμασε να υλοποιήσει το πείραμα. Προσφάτως, ο φυσικός Shoichi Toyabe από το Πανεπιστήμιο Chuo της Ιαπωνίας, και οι συνεργάτες του, αποφάσισαν να το δοκιμάσουν.

«Σήμερα έχουμε την τεχνολογία. Μπορούμε να παρατηρήσουμε μέχρι και μεμονωμένα μόρια και να ελέγξουμε γρήγορα πολύ μικρά στοιχεία, επομένως, σε γενικές γραμμές, δεν είναι δύσκολο να δημιουργήσεις ένα δαίμονα του Maxwell», όπως υποστηρίζει ο ένας από τους συγγραφείς της μελέτης, ο Masaki Sano, από το Πανεπιστήμιο του Τόκιο.

Οι ερευνητές έφτιαξαν μία μινιατούρα ελικοειδούς σκάλας και έκαναν ένα μόριο να την ανέβει, χρησιμοποιώντας πληροφορίες.

Στην πραγματικότητα, η σκάλα αποτελούνταν από δυναμική ενέργεια και δημιουργήθηκε χρησιμοποιώντας ηλεκτρικά πεδία. Το μόριο είχε κάποια θερμική ενέργεια -ζέστη- επομένως ταλαντευόταν, κινούμενο προς τυχαίες κατευθύνσεις.

Οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν μια κάμερα υψηλής ταχύτητας για να φωτογραφήσουν το μόριο. Όταν ξεκίνησε να ανεβαίνει τη σκάλα, το άφησαν να κινηθεί ελεύθερα, ενώ όταν άρχισε να κατεβαίνει, οι ερευνητές εμπόδισαν την κίνησή του, τοποθετώντας έναν εικονικό τοίχο με τη βοήθεια ενός ηλεκτρικού πεδίου.

«Είναι σαν να κάνει το μόριο τυχαία βήματα πάνω ή κάτω, αλλά μόνο όταν ανεβαίνει τις σκάλες τοποθετούμε τοίχους, για να αποφύγουμε την πτώση», αναφέρει ο Sano. «Είναι κάτι σαν το δαίμονα του Maxwell».

Καθώς το μόριο ανέβαινε τις σκάλες, άρχισε να κερδίζει ενέργεια γιατί κινούνταν προς μία τοποθεσία υψηλότερη δυναμικής, σαν να ανεβαίνει ένα βουνό. Εντούτοις, οι ερευνητές δε χρειάστηκε να σπρώξουν το μόριο προς το βουνό (δηλ. να καταβάλουν προσπάθεια ή να συμπληρώσουν ενέργεια). Το μόνο που έκαναν ήταν να χρησιμοποιήσουν την πληροφορία προς ποια κατεύθυνση κινούνταν ανά πάσα στιγμή, ώστε να καθοδηγήσουν την ανάβαση.

Οι ερευνητές όχι μόνο κατάφεραν να κάνουν το μόριο να ανέβει τη σκάλα, αλλά μπόρεσαν να μετρήσουν με ακρίβεια πόση ακριβώς ενέργεια μετατράπηκε από την πληροφορία. Τα αποτελέσματά τους δημοσιεύθηκαν στην ηλεκτρονική έκδοση του επιστημονικού περιοδικού «Nature Physics».

Αν και το πείραμα από μόνο του δείχνει ότι είναι δυνατή η δημιουργία ενέργειας από πληροφορία, πρακτικά η τεχνική δεν προσφέρεται ως δυνατότητα επίλυσης της ενεργειακής κρίσης στο άμεσο μέλλον.

Πηγές: Live Science , wikipedia.org , news.pathfinder.gr