Lang dacht men dat het gedachte-experiment Maxwells demon strijdig is met de natuurwetten. Nu blijkt dat het experiment uitgevoerd kan worden zonder dat het tegen de regels van de thermodynamica indruist.

De demon van Maxwell is een gedachte-experiment dat de Schotse wiskundige James Clerk Maxwell voor het eerst voorstelde in 1867. Maxwell stelde zich een klein duiveltje voor, dat een deur tussen twee met gas gevulde kamers kan openen en sluiten. Door de deur voorzichtig te openen en te sluiten, laat de demon alleen snel bewegende gasdeeltjes de ene kamer inglippen. Langzaam bewegende deeltjes laat hij juist alleen door naar de andere kamer.

Omdat de snelheid van de deeltjes de temperatuur van een gas bepaalt, warmt de eerste kamer op en koelt de andere af. Het resulterende temperatuurverschil kan gebruikt worden om een motor eeuwig te laten draaien.

'Koudwaterkoraalriffen zijn de regenwouden van de oceaan'
LEES OOK
'Koudwaterkoraalriffen zijn de regenwouden van de oceaan'

Het probleem is dat de acties van de demon de entropie, of de mate van wanorde, in dit gesloten systeem vermindert zonder energie te verbruiken. Dat is in strijd met de Tweede Hoofdwet van de thermodynamica.

Gedachte-experiment in praktijk

Het experiment is sindsdien in de praktijk uitgevoerd met microscopisch kleine kamertjes. Daarbij werd gebruik gemaakt van minuscule temperatuurschommelingen, zogeheten thermische fluctuaties, waarbij een gasdeeltje per toeval even afwijkt van de gemiddelde beweegsnelheid. Deze praktische experimenten vereisen wel allemaal een externe energiebron. Daardoor blijven de wetten van de thermodynamica intact.

Om het gebruik van thermische fluctuaties in meer detail te bestuderen, is een demon nodig die ook op grotere schalen werkt. Nahuel Freitas en Massimiliano Esposito, natuurkundigen aan de Universiteit van Luxemburg, hebben nu een demon bedacht die op elke schaal werkt. Wel heeft de demon een lagere efficiëntie naarmate de schaal groter wordt. ‘Hoe groter de demon, hoe meer energie je moet gebruiken om hem te laten werken’, zegt Esposito.

Maxwells demon laat een snel deeltje door naar de kamer met snelle deeltjes

Hun opstelling begint met een CMOS-inverter, een klein apparaat dat in veel elektronische schakelingen wordt gebruikt, dat uit twee transistors bestaat. De transistors kun je zien als deuren, waarvan er een opengaat als er een negatieve spanning over de inverter staat, terwijl de andere opengaat bij een positieve spanning. Een tweede CMOS-inverter met een externe stroombron fungeert als de demon. Waar de oorspronkelijke Maxwell-demon deeltjes op snelheid sorteerde, sorteert deze versie spanning op basis van richting. In plaats van elke spanning op te slaan aan zijn eigen kant van een doos, gooit hij de negatieve spanningen weg en stuurt hij de positieve terug naar de eerste inverter.

In theorie zou de demon, zelfs als er geen externe spanning op het systeem wordt gezet, moeten kunnen profiteren van minuscule schommelingen en vanuit het niets een spanning kunnen creëren. ‘Het zou geweldig zijn als het zou lukken’, zegt Nahuel. ‘Het zou ook een overtreding zijn van de tweede wet van de thermodynamica.’

Biologische machines

Dit soort systemen kan onderzoekers helpen bij het bestuderen van thermische fluctuaties, die op kleine schalen ontstaan uit quantummechanische effecten die we gewoonlijk niet kunnen zien op grotere schalen. ‘Deze interessante natuurkunde kan van de microschaal naar de macroschaal worden gebracht, zodat we een aantal van deze zeer fraaie effecten kunnen zien die we op macroschaal niet verwachten’, zegt Esposito.

Dit kan ons ook wat leren over biologische machines zoals enzymen (eiwitten die in cellen reacties versnellen), die kleine fluctuaties in hun omgeving versterken.

‘We proberen te begrijpen of Maxwells demon alleen een leuk gedachte-experiment is om basisprincipes van de fysica te demonstreren, of dat er iets praktisch uit kan voortkomen’, zegt John Bechhoefer. Hij is hoogleraar stochastische thermodynamica aan de Simon Fraser Universiteit in Canada. ‘Sommige biologische machines kun je misschien als een Maxwell-demon zien. Dus door te proberen alle verschillende aspecten ervan te begrijpen, kunnen we het idee hopelijk beter doorgronden’, zegt hij.