Nerovnováha mezi přírodními zákony a systém Maxwellova démona

Tisková zpráva Matthewa Cosletta, Nagojská univerzita

Od doby, kdy Maxwell vyvolal svého démona, se vzájemný vliv mezi fyzikou, tokem informací a procesem měření stal jedním z hlavních témat v teorii fyziky.

Druhý zákon termodynamiky tvrdí, že míra nepořádku v systému nikdy neklesá spontánně. Navzdory své základní roli zůstává druhý termodynamický zákon jedním z nejvíce nepochopených principů ve vědě. Jak to spolu souvisí?

Maxwell si představoval hypotetickou bytost, démona, schopnou třídit rychlé a pomalé molekuly v plynu v tepelné rovnováze bez vynaložení energie. Oddělením těchto molekul do odlišných oblastí by démon mohl vytvořit teplotní rozdíl. Jak se systém vrací do rovnováhy, odebírá se mechanická práce, což zdánlivě odporuje druhému zákonu termodynamiky.

Aby vědci našli řešení tohoto paradoxu, soustředili se na zacházení s démonem jako s fyzikálním systémem, který podléhá termodynamickým zákonům. Jejich návrh spočívá ve vymazání paměti démona. To by ale vyžadovalo mechanickou práci, což by ale vedlo k porušení druhého fyzikálního zákona v termodynamiky.

Aby vědci prozkoumali tento fenomén, vyvinuli matematický model pro „démonický motor“, tedy systém poháněný Maxwellovým démonem. Model zahrnuje tři kroky: démon změří cílový systém, poté z něj extrahuje práci připojením k tepelnému prostředí a nakonec vymaže jeho paměť interakcí se stejným prostředím.

Pomocí tohoto rámce tým odvodil přesné rovnice pro práci vynaloženou démonem a práci, kterou extrahuje, vyjádřené pomocí kvantových informačních opatření, jako je von Neumannova entropie a zisk Groenewold-Ozawa. Když tyto dvě rovnice porovnali, dostali překvapivý výsledek.

Výsledky ukázaly, že za určitých podmínek povolených kvantovou teorií, dokonce i po započtení všech nákladů, může extrahovaná práce překročit vynaloženou práci, což zdánlivě porušuje druhý zákon termodynamiky. Toto odhalení bylo neočekávané, protože zpochybnilo předpoklad, že kvantová teorie je ze své podstaty „proti démonům odolná“. V rámci teorie jsou skrytá zákoutí, kde by Maxwellův démon stále mohl působit svou magií.

Navzdory těmto mezerám vědci zdůrazňují, že nepředstavují hrozbu pro druhý zákon. Jinými slovy, kvantová teorie by mohla potenciálně porušit druhý termodynamický zákon, ale ve skutečnosti nemusí. To vytváří pozoruhodnou harmonii mezi kvantovou mechanikou a termodynamikou: zůstávají nezávislé, ale nikdy nejsou zásadně v rozporu.

Jedna věc, kterou vědci ukazují, je, že kvantová teorie je skutečně logicky nezávislá na druhém termodynamickém zákonu. To znamená, že může porušovat zákon jednoduše proto, že o tom vůbec ‚neví‘. A přesto, a to je stejně pozoruhodné, lze realizovat jakýkoli kvantový proces, aniž by došlo k porušení druhého termodynamického zákona.

Na převratném objevu spolupracovali vědci ze Slovenské akademie věd a Nagoyské univerzity v Japonsku a přinesli tak nové poznatky o souhře mezi kvantovou teorií a termodynamikou.