Demonisch experiment zet informatie om in energie

James Clerk Maxwell was een Schots wis- en natuurkundige. Naar hem zijn de vier Maxwellvergelijkingen genoemd die de grondvergelijkingen vormen voor de hele klassieke elektrmagnetische theorie. Samen met Albert Einstein en Isaac Newton wordt James Maxwell tot de grootste natuurkundigen allertijden gerekend. Maxwell leefde ongeveer in dezelfde tijdsperiode als de Britse natuur- en scheikundige Michael Faraday. Michael Faraday heeft in zijn carrière veel uitstekend experimenteel werk gedaan over inductie en uiteindelijk heeft hij dan de dynamo uitgevonden. Hij opperde het idee dat elektrische en magnetische veldne zich door een vrije ruimte konden uitbreiden. Faraday had echtere grotere kwaliteiten als experimentator dan als theoreticus. En Maxwell bleek wel in staat te zijn om Faradays theorie wiskundig uit te werken.

De naar Maxwell genoemde basisvergelijkingen - in eerste instantie als twintig vergelijkingen met twintig variabelen, mater met behulp van vectornotatie teruggebracht naar vier vergelijkingen - zijn nog steeds het uitgangspunt voor de klassieke elektrodynamica. Het bestaan van elektromagnetische golven is hieruit strikt wiskundig af te leiden. Maxwell opperde het idee dat licht een elektromagnetisch golfverschijnsel is. Uitgaande van zijn basisvergelijkingen kon hij de lichtsnelheid theoretisch berekenen. Steun voor Maxwell's vermoeden over deze zaak kwam van Hendrik Lorentz, die in 1875 breking van licht correct kon beschrijven met Maxwells vergelijkingen. Later, in 1884 na het overlijden van James Maxwell, zou de Duitse natuurkundige Heinrich Hertz experimenteel aantonen dat lichtgolven en elektromagnetische golven vergelijkbaar gedrag vertonen, waarmee hij het werk van Maxwell bevestigde.

Maar Maxwell was niet enkel een expert in het gebied van elektrodynamica maar ook nog in andere terreinen was hij een belangrijk wetenschapper. Eén van deze vakgebieden was de kinetische gastheorie en de thermodynamica. Uit Maxwell's resultaten heeft een relatief grote invloed gehad, namelijk hij gaf aanleiding tot het voortkomen van de statistische thermodynamica. Hij leidde een formule af voor de snelheidsverdeling van gasmoleculen in een tijd dat he bestaan van moleculen nog omstreden was. Deze formule die hij opstelde zorgde voor de Maxwell-Boltzman-verdeling. Deze verdeling geeft de verdeling van de snelheid van gasmoleculen in een verdund ideaal gas weer, wanneer de moleculen als puntvorming kunnen worden opgevat en zij volkomen elastisch botsen, zodat impuls en energie overblijft. Maxwell is ook nog voor een andere reden bekend, namelijk in zijn studententijd in Cambrigde publiceerde Maxwell een artikel waarin hij aantoonde dat uit de primaire kleuren rood, groen en blauw alle mogelijke kleuren te maken zijn. Tussen 1855 en 1872 publiceerde hij met tussenpozen een reeks van waardevolle onderzoeken gerelateerd aan kleurwaarneming en kleuranalyse. En in 1861 gaf hij tijdens een lezing aan het Royal Institution in Londen zijn historische demonstratie van kleurenfotografie.

James Maxwell was dus een belangrijke wetenschapper die een grote bijdrage heeft geleverd aan de wetenschappelijke kennis. Maar tijdens zijn carrière heeft hij ook een vrij eigenaardig experiment uitgevoerd. En om eerlijk te zijn is 'uitgevoerd' hier een groot woord aangezien het gaat om een gedachte-experiment - een experiment die men al denkend uitvoert - en niet om een gewoon experiment zoals degene die men uitvoert in laboratoria en onderzoekscentrum. Dit gedachte-experiment kreeg de naam 'Maxwell's Demon'. Mawell's demon is een fictief wezen in het experiment en dit experiment brengt de tweede hoofdwet van de thermodynamica in twijfel. Volgens de tweede hoofdwet van de thermodynamica is het onder andere niet mogelijk dat twee lichamen met een gelijke temperatuur in thermisch contact met elkaar, en samen een gesloten systeem vormend, evolueren naar een staat waar het ene lichaam een hogere temperatuur heeft dan de andere. Een andere formulering van deze wet is dat een gesloten systeem altijd in een staat terecht komt met een zo hoog mogelijke entropie.

Maar Maxwell brengt met zijn demon deze wet in twijfel. Het gedachte-experiment luidt als volgt, in het kort; Stel, we hebben twee ruimtes, met één deur tussen deze twee ruimte en voor de rest zijn deze twee volledig afgesloten van elkaar en van de omgeving. De ruimtes bevatten hetzelfde gas met dezelfde temperatuur, maar in het tussenschot tussen de twee ruimte zit een deur die bediend kan worden door een wezen, namelijk door Maxwell's Demon. Stel nu dat dit wezen de mogelijkheid heeft om de snelheid van een molecuul van het gas op te meten. Een gas in een gesloten ruimte bevat een bepaald aantal bewegend moleculen. Al deze moleculen bewegen vrij rond in deze ruimte met een bepaalde snelheid en dus bevatten deze allemaal een bepaalde hoeveelheid kinetische energie. Niet alle moleculen bewegen met een evengrote snelheid, zo is de snelheid van de ene molecuul groter dan die van een andere molecule. En deze kinetische energie staat in verband met de temperatuur van het beschouwde gas.

En dus zou Maxwell's Demon in staat zijn om ogenblikkelijk de kinetische energie van een gasmolecuul op te meten. En daarnaast kan Maxwell's Demon de deur bedienen en dus gaan beslissen wanneer deze geopend en gesloten wordt. En in dit experiment zal de demon enkel de deur openen voor moleculen met een hoge snelheid en dus een hoge kinetische energie. En voor moleculen met een lage snelheid en dus een lage kinetische energie houdt hij de deur gesloten. En dus zo zorgt de demon ervoor dat enkel moleculen met een hoge kinetische energie van de ene naar de andere ruimte toegelaten worden. En dus zou de gemiddelde kinetische energie van de moleculen in deze ruimte zal gaan toenemen. En wanneer de gemiddelde kinetische energie van de gasmoleculen gaat toenemen dan zal ook de temperatuur gaan toenemen. Dus ontstaat er een temperatuursverschil tussen de twee ruimtes terwijl dit juist onmogelijk bleek te zijn volgens de tweede wet van de thermodynamica.

Maar wat is er nu correct, want volgens dit experiment zou het dus wel mogelijk zijn dat twee lichamen met een gelijke temperatuur die in thermisch contact staan met elkaar, en samen een gesloten systeem vormen, evolueren naar een staat waar het ene lichaam een hogere temperatuur heeft dan de andere. En vanuit het experiment zou men dus kunnen gaan concluderen dat informatie kan omgezet worden in energie. Maar dit blijkt onmogelijk te zijn volgens de natuurwetten. Vele wetenschappers hebben al hun hoofd gebroken om de fout in de redenering van Maxwell's Demon te ontdekken. Maar nu zoveel jaren later lijkt het er sterk op dat de redenering van Maxwell's Demon toch zou kloppen door de resultaten van een Japanse wetenschapper. Masaki Sano, een natuurkundige die werkt aan de University of Tokyo, heeft een experiment op nanoschaal gebouwd gebaseerd op het gedachte-experiment van Maxwell. En aan de hand van hun experiment zijn ze in staat om te demonstreren dat een kraal ( of dus een klein bolletje) kan overhaalt worden om op een wenteltrap naar boven te rollen zonder dat er ook maar enige energie direct op de kraal wordt uitgeoefend. Maar namelijk door een reeks van oordeelkundige en nauwkeurig getimede beslissingen om de hoogte van de omliggende 'treden' rond de kraal te gaan veranderen zou het balletje dus naar boven gaan rollen. En op deze wijze wordt er dus informatie opgezet in energie.

Om dus een 'real-life' versie van Maxwell's Demon te bouwen hebben Sano en zijn medewerkers een langwerpig polystyrenen kraal op nanoschaal gebouwd die ofwel in uurwijzerzin of tegen uurwijzerzin kan roteren. Deze langwerpige polystyrenen 'nano-kraal' werd in een bad gevuld met een buffer of een zuurteregelaar geplaatst. Het team van Sano plaatsten een variërende elektrische spanning rondom de kraal. De elektrische spanning zorgt ervoor dat het moeilijker wordt voor de kraal om te 360° te gaan verdraaien in tegenuurwijzerzin. Dit creëerde dus het equivalent van een wenteltrap, aangezien het moeilijker is om de ene kant op te rollen (het equivalent van het naar boven rollen) dan om naar de andere kant te rollen (het equivalent van het naar beneden rollen). Dus de rotatie tegen uurwijzerzin staat voor het naar boven rollen van de kraal op de wenteltrap en de rotatie in uurwijzerzin staat voor het naar beneden te rollen van de kraal van de wenteltrap. Door de willekeurige beweging van de moleculen in de buffer-oplossing waarin de kraal geplaatst komen deze moleculen in botsen met de kraal. Deze bewegingen zijn van dezelfde aard als de bewegingen van de gasmoleculen in het experiment met Maxwell's Demon. Dit zorgt ervoor dat de kraal gaat ronddraaien, zowel in uurwijzerzin als tegen uurwijzerzin. Maar wanneer het systeem in deze opstelling op zichzelf wordt gelaten, dan treedt de rotatie in uurwijzerzin meer op dan tegen uurwijzerzin. Dit is vanzelfsprekend aangezien de rotatie in tegenuurwijzerzin bemoeilijkt wordt door de elektrische spanning.

Maar dan heeft het team hun versie van Maxwell's Demon geïntroduceerd, namelijk hebben ze de beweging van de kraal nauwkeurig in de gaten gehouden en telkens wanneer deze een rotatie tegen uurwijzerzin maakte, dan pasten de onderzoekers het voltage van de elektrische spanning aan het bemoeilijkt werd voor de kraal om in uurwijzerzin terug te draaien. Het aanpassen van de elektrische spanning is het equivalent van de demon die telkens de deur sluit om de trage gasmoleculen tegen te houden. En zo werd de kraal gestimuleerd om steeds tegenuurwijzerzin te roteren en dus om steeds naar boven op de wenteltrap te gaan rollen.

Maar dit experiment, in zijn geheel, is niet in strijd met de tweede wet van de thermodynamica. Namelijk want de informatie over de rotatie van de kraal komt er niet zomaar. Namelijk zijn er een heleboel apparatuur en een aantal onderzoekers nodig om dit experiment in goede banen te leiden. Al deze elementen van het experiment verbruiken ook energie namelijk om de kraal blijven te observeren en het voltage te gaan aanpassen wanneer nodig. En daar zou ook de fout in de redenering van Maxwell's Demon zitten. Maar toch leidde dit experiment tot een aantal belangrijke bevindingen en specifiek dat dit een demonstratie is van het feit dat ook informatie een medium is voor energieoverdracht. De kraal op zich is dan dus eigenlijk een soort mini rotor. En uit metingen op het systeem concludeerde men dat het een informatie-naar-energie rendement had van een goeie 28%. Dit experiment blijkt dus een prachtige uitkomst te hebben, namelijk dat het de demonstratie omvat van de thermodynamische inhoud van informatie. En dit experiment geeft de uitspraak 'Knowledge is power' een extra betekenis.

Geschreven door Emile Glorieux, Bron [nature]