Tek.no

Nyhet

Dette vil gjøre dataprosesser 1000 ganger mer energieffektive

Les om hvordan «Maxwells demon» og kvantemekanikken bak kan brukes til å forbedre fremtidens elektronikk.

Aalto University/YouTube
Kristoffer Møllevik
8 Mai 2015 15:17

«Maxwells demon»

Se for deg en gassbeholder som er delt i to på midten av en skillevegg:

I den ene delen er det kald gass, der molekylene beveger seg tregt og har lite bevegelsesenergi, og i den andre delen er det varm gass der molekylene beveger seg raskt og har mye bevegelsesenergi.

Hvis denne skilleveggen fjernes vil de ulike molekylene blandes sammen og kollidere med hverandre. Noe av bevegelsesenergien fra de raske molekylene vil overføres til de tregere partiklene, og ganske raskt vil alle molekylene nå et punkt der de har omtrent samme mengde bevegelsesenergi, og temperaturen i gassbeholderen vil nå et middelpunkt.

Se nå for deg dette: I skilleveggen er det en liten luke som lar enkeltmolekyler passere fra den ene delen av beholderen til den andre. Denne luken er kontrollert av det som har blitt kalt «Maxwells demon», et lite vesen som er i stand til å se de ulike molekylene. Når for eksempel et raskt molekyl fra den kalde siden nærmer seg, åpner demonen luken og slipper det over til den varme siden, med de andre raske molekylene. Og omvendt; trege molekyler fra den varme siden slippes over til den kalde siden, med de andre trege molekylene.

Resultatet: Den varme siden av beholderen blir enda varmere, og den kalde siden blir enda kaldere.

Foto: Aalto University/YouTube

Vi må lære litt fysikk først hvis vi skal forstå Maxwells demon, så kommer vi mer til saken på siden 2, der det også er video »

Gammelt tankeeksperiment

Dette er et tankeeksperiment som ble skapt av fysikeren James Clerk Maxwell (1831-1879) rundt år 1870, og beskriver hvordan termodynamikkens andre lov kan brytes, i alle fall rent hypotetisk.

Termodynamikkens andre lov sier at når noe går fra orden til uorden, er det veldig vanskelig å gå tilbake til orden. Hvis du for eksempel blander én kopp varmt vann og én kopp kaldt vann i en beholder, er det svært lite sannsynlig at molekylene tilfeldigvis kommer til å sortere seg selv, slik at vi får én kald og én varm halvdel. Rent teoretisk er det mulig – bare se til setningen om uendelig mange aper – men i praksis er det umulig.

– Entropien i et system kan ikke avta

Nå begynner dette å bli ganske komplisert for de av oss som ikke har studert fysikk, så vi tok en tur til Universitetet i Oslo (UiO) for å snakke med førsteamanuensis ved Fysisk Institutt, Joakim Bergli. Bergli arbeider med teoretisk faststoffysikk og har blant annet arbeidet spesielt med kvantetransport og kvanteinformasjonsteori. Nei, vi vet heller ikke helt hva det betyr, men når det er snakk om Maxwells demon er det ikke mange som forstår det bedre enn Bergli.

– Maxwell var interessert i å forstå entropien, eller termodynamikkens andre lov som sier at entropien ikke kan avta. Entropien er et slags mål på uorden i et system, forklarer han, og gir et eksempel:

– Hvis du for eksempel dytter en kaffekopp utfor bordet slik at den faller ned og blir knust, starter den ordnet, og blir uordnet. Og du vil aldri se at de bitene som ligger på gulvet flyr sammen og blir til en fin kaffekopp igjen, sier han.

Temperatur er bevegelse, bevegelse er energi

At noe – enten det er luften i en beholder, et viskelær på et skrivebord eller en te-vannet som trekker – holder en viss temperatur, betyr at molekylene det består av beveger seg. Jo høyere temperaturen er, jo mer beveger molekylene seg, jo mer energi har det.

Joakim Bergli arbeider med teoretisk faststoffysikk ved UiO og har blant annet arbeidet spesielt med kvantetransport og kvanteinformasjonsteori.. Foto: Kristoffer Møllevik

– Så selv om noe ligger helt stille er det jo lagret en viss varmeenergi i det, og man kunne prøve å utnytte den energien, man kunne ønske seg å bruke den. Når vi ser mikroskopisk på det er varmeenergi bare bevegelsesenergi fra de mikroskopiske bestanddelene, atomene og molekylene som objektet er bygget opp av. Forskjellen er at når du har noe som beveger seg bortover har du en ordet bevegelse, mens når du har denne som bare er varm er det en uordnet bevegelse, og det legger en begrensning på hvor mye av den energien vi kan gjøre nytte av, sier Bergli.

Han forklarer at når vi har en ordnet bevegelse kan vi for eksempel stoppe den opp og omforme all den energien som var der til noe annet. Men hvis bevegelsen er uordnet, slik som det altså er med noe som bare har en temperatur, så kan vi ikke uten videre bruke den energien.

– Tenk deg at istedet for bensin til bilen så kunne du bare helle på varmt vann og kjøre avgårde, og bare sitte igjen med en isklump til slutt. Da har du tatt varmeenergien direkte fra vannet og brukt den til å kjøre med, uten energitap, men det kan du ikke gjøre uten videre. Og det var det Maxwell ville forsøke å forstå, altså hvorfor dette ikke går, sier Bergli.

Les også