16.07.2021

Zockende „Dämonen“ testen zweiten Hauptsatz der Thermodynamik

In den Gedankenexperimenten von Physiker/innen spielen hin und wieder allwissende und omnipotente Dämonen eine Rolle, wenn es darum geht, grundlegende Konzepte der Physik zu hinterfragen. Ein internationales Forschungsteam mit Beteiligung der ÖAW beweist in einer neuen Publikation im Journal „Physical Review Letters“, dass auch Dämonen, die nicht allmächtig sind, scheinbar den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik verletzen können.

© Unsplash/Alois Komenda

Ein Maxwell’scher Dämon ist ein hypothetisches Wesen. Dank seines umfassenden Wissens über eine Kammer mit Gasmolekülen und seiner unlimitierten Reflexe kann es schnelle, heiße Moleküle von langsamen, kalten trennen, indem es eine Schleuse in einer Trennwand in der Kammer öffnet oder schließt. Der Dämon sammelt Information über das System und reagiert im richtigen Augenblick. Damit kann dieses unmögliche Wesen scheinbar den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik verletzen, der besagt, dass sich Energiegefälle in geschlossenen Systemen immer ausgleichen, also Wärme immer von heißen zu kalten Bereichen fließt. 

“Heute wissen wir, dass der Maxwell’sche Dämon Information in Arbeit umwandelt. Die energetischen Kosten für die Informationsverarbeitung machen den scheinbaren Energiegewinn durch das selektive Öffnen und Schließen der Schleuse zunichte. Einer der Schlüssel ist die Einsicht, dass Information eine physische Existenz hat”, sagt Gonzalo Manzano vom Wiener Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW), der mit Kollegen aus Finnland und Italien für eine im Journal „Physical Review Letters“ erschienene Studie verantwortlich zeichnet.

Glücksspiel für Dämonen

Das Forschungsteam um Manzano hat sich für ein Experiment einen neuen Dämon ausgedacht, der ohne Rückkopplung auskommen muss. Dieser Dämon kann sein Wissen nicht einsetzen, um das System nach Gutdünken zu manipulieren. Er kann lediglich zu zufällig gewählten Zeitpunkten entscheiden, ob ein Prozess weiterlaufen soll oder angehalten wird. In Maxwells Szenario würde das bedeuten, dass die Schleuse sich dauernd zufällig öffnet und schließt und der Dämon nur entscheiden kann, wann er den Prozess stoppt. “Unser Dämon ist nicht so mächtig wie jener von Maxwell. Er sammelt zwar auch Information über das System, hat aber keine präzise Kontrolle darüber. Das ist ein realistisches Szenario, weil wir in physikalischen Systemen eigentlich nie perfekte Kontrolle über ein System haben”, sagt Manzano. 

Die Forscher haben herausgefunden, dass auch dieser schwächere Dämon den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik scheinbar verletzen kann. “Im Schnitt bekommt unser Dämon mehr Arbeit aus dem System, wenn er bestimmte statistische Gesetzmäßigkeiten ausnutzt, die auch bei der Analyse von Glücksspiel oder Marktfluktuationen eingesetzt werden”, sagt Manzano. Der neue Dämon gewinnt aber nur gegen die Entropie, wenn das System, das er manipuliert, nicht symmetrisch bezüglich einer Zeitumkehr ist. Wenn ein Prozess vorwärts und rückwärts spiegelgleich verläuft, scheitert der Dämon.

Experiment auf Insel aus Metall

Getestet haben die Forscher ihren neuen Dämon im Labor in einem Experiment, bei dem eine Insel aus Metallatomen von Elektronen besetzt werden kann oder nicht. Bei einer Temperatur knapp über dem absoluten Nullpunkt kann die Metallinsel nur entweder ein oder kein Elektron beheimaten. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Elektron die Energiebarriere zwischen der Insel und dem Rest des Systems überwinden kann, wird durch eine angelegte Spannung reguliert. “Am Anfang ist die Wahrscheinlichkeit, dass die Insel ein Elektron hält, 50 zu 50. Dann erhöhen wir die Spannung linear und brechen so auch die Zeitumkehrsymmetrie”, sagt Manzano.

Das Experiment wird im Labor mehrere tausend Mal durchgeführt und die Forscher berechnen die Wärme, Arbeit und Bahnen der Elektronen, die im System vorkommen. “Der Dämon kommt im Experiment nicht vor. Er kann das Experiment nur nach Vollendung virtuell in den Datensätzen anhalten. Dann sehen wir, dass es möglich ist, mehr Arbeit aus dem System zu extrahieren als klassische Formulierungen des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik erlauben würden”, sagt Manzano. In Zukunft wollen die Forscher versuchen, optimale Strategien für ihren Dämon zu finden. “Vielleicht lässt sich noch mehr Arbeit aus dem System gewinnen. Wir wollen zudem auch prüfen, welche Strategien für eine Quantenversion unseres Experiments funktionieren, die etwas kompliziertere Mathematik erfordert als unsere klassische Variante”, erklärt Manzano.

 

Auf einen Blick:

Publikation:

Thermodynamics of Gambling Demons, Gonzalo Manzano, Diego Subero, Olivier Maillet, Rosario Fazio, Jukka P. Pekola, and Édgar Roldán, Phys. Rev. Lett. 126, 080603
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.080603