Demoni in fizika

Nemški znanstveniki in znanstvenice teoretizirajo novo potencialno realizacijo Maxwellovega demona s kvantno piko. Na podlagi računov so pokazali, da v posebnem režimu delovanja demon lahko brez opravljanja dela poganja tok v napačno smer.

Gedankenexperiment demona buri duhove že od leta 1871, ko se je z njim ukvarjal škotski fizik James Clerk Maxwell. Demon je inteligentna živalca, ki opazuje nek fizikalni sistem, na primer plin, in ga pokvari. Sistem zaradi demonovega vmešavanja dobi lastnosti, ki kršijo naše temeljno načelo - drugi zakon termodinamike. Maxwellova originalna poanta je bila, da je treba tedanja načela še enkrat premisliti.

V klasični verziji miselnega poskusa demon sedi pri vratih med dvema plinskima rezervoarjema, ki se originalno nahajata pri enaki temperaturi. Ko delec plina prileti do vrat, mu demon izmeri hitrost. Če je dovolj velika, ga demon z odprtjem ali zaprtjem vrat zadrži v enem delu rezervoarja. Tako se delci z veliko hitrostjo nakopičijo v enem rezervoarju, ki mu nato lahko pripišemo temperaturo. Zaradi demonovega vmešavanja se tako pojavi temperaturna razlika, kar je v nasprotju z našimi zakoni.

Misel na demona je v času od Maxwella navdihovala mnogo znanstvenikov in znanstvenic za poskuse izdelave naprave, ki bi se obnašala kot demon. V aktualnem delu so nemški raziskovalci in raziskovalke obravnavali kvantno verzijo poskusa. Njihov model je močno inspiriran z opisanega miselnega eksperimenta: dva rezervoarja elektronov sta povezana preko kvantne pike, nanometrskega koščka polprevodnika z enim samim elektronskim stanjem.

Kvantno piko z dvema priključkoma so opisali z modelom Fana in Andersona, zasedenost stanj pa so numerično računali v shemi dinamičnega coarse-graininga. Opazovana količina je bila električni tok skozi kvantno piko.

V simulaciji demon opazuje zasedenost stanja v kvantni piki. Glede na rezultat priredi verjetnosti, da se zgodi izmenjava delca z enim rezervoarjem ali drugim. Tako je zmožen poganjati tok v nasprotno smer napetosti.

Še ena opomba: v kvantni mehaniki je meritev zelo invaziven postopek, ki uničuje kvantna stanja in navadno ne ohranja energije. Simulacija je pokazala, da obstaja režim delovanja naprave, v katerem demon z meritvijo ne opravlja dela. Samo v tem režimu lahko za postopek rečemo, da je demonski.

Avtorji in avtorice raziskave zaključujejo z opombo, da čeprav gre v delu za računalniško simulacijo, znamo podobne naprave narediti tudi zares. Edina neznanka je izdelava vezja, ki bi znal sproti ob meritvah spreminjati verjetnostne amplitude.

Z demoni se je soočal Martin.

Članek je bil objavljen v New Journal of Physics (http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1367-2630/aaa38d).