Een nieuwe variant op een negentiende-eeuws gedachte-experiment maakt gebruik van een gokstrategie om een natuurkundige wet buiten spel te zetten. Wetenschappers zijn erin geslaagd die aanpak te verwerken in een minuscuul apparaatje.

Een scheutje melk dat zich over een kopje koffie heeft verdeeld, zal zich nooit meer spontaan ‘ontmengen’. Ook de warmte van een kachel die zich door een kamer heeft verspreid, zal zich niet ineens weer in de kachel terugtrekken. Dit verschijnsel noemen we de tweede (hoofd)wet van thermodynamica. Die wet vertelt dat de wanorde oftewel de entropie van een systeem zal toenemen tot er een evenwicht is bereikt.

Toch hebben wetenschappers een manier gevonden om die wet te omzeilen. Een theoretisch duiveltje kijkt toe hoe de warmte zich over twee delen van een ruimte verspreidt. Door met gokstrategieën op het juiste moment deze verspreiding stop te zetten, kunnen kleine veranderingen in de warmteverdeling een klein beetje energie opleveren. De onderzoekers bevestigden de werking van de strategieën met een experiment op nanoschaal.

Goede oogst

Al in 1867 probeerde de Schotse natuurkundige James Clerk Maxwell met een gedachte-experiment de tweede wet op z’n kop te zetten. Hij verzon een duiveltje dat met een hendel een mini-deurtje kan openen en sluiten. Dat deurtje verbindt twee delen van een kamer. Door de snelle, warme deeltjes de ene kant op te laten gaan en de langzame, koude deeltjes de andere kant, zou er een stroom van warmte ontstaan die tegen de warmteverdeling ingaat, met een afname van entropie tot gevolg.

Theoretisch fysicus Gonzalo Manzano Paule van het Internationale Centrum voor Theoretische Fysica in het Italiaanse Triëst dacht met zijn collega’s na over een simpelere strategie om die tijdelijke warmte te vangen. Het duiveltje heeft deze keer geen hendel om deeltjes al dan niet door te laten, maar kan alleen toekijken. Vervolgens kan het beslissen om het experiment te laten doorgaan, of om het te stoppen en opnieuw te laten beginnen.

Net als bij een gokkast wil deze duivel stoppen als de winst hoog is of als de verliezen juist te groot worden. Met specifieke gokstrategieën lukt het om gemiddeld meer vrije energie te oogsten dan de hoeveelheid werk die daarvoor nodig is. Dit druist in tegen de tweede wet van thermodynamica. Toch lijkt het duiveltje dat voor elkaar te krijgen.

Metalen eiland

Maar werkt dat ook in het echt? De onderzoekers implementeerden het concept en de strategieën van het duiveltje op kleine schaal. De kamer van het duiveltje is in het experiment een ‘doosje’ met enkele elektronen. De temperatuur daalt tot net boven het absolute nulpunt, waardoor die zo min mogelijk ruis en fluctuaties veroorzaakt.

Toch kan soms een enkel elektron vanaf de elektroden overspringen naar het metalen eiland in het midden, een verschijnsel uit de quantummechanica dat tunnelen heet. Daarbij komt een beetje energie vrij. De onderzoekers konden gedurende het experiment bijhouden hoe vaak dat tunnelen gebeurde. Als dat vaak genoeg plaatsvond binnen een bepaalde tijd, was de winst hoog genoeg en stopte het proces. Zo konden de onderzoekers hun strategieën experimenteel bevestigen.

Geen koelkast

Is hiermee de tweede wet van thermodynamica ondermijnd? Tijdelijk kan inderdaad een klein beetje warmte worden geoogst, tegen de wet in. Maar dat ligt ook aan de schaal waarop het gebeurt, zegt theoretisch fysicus Jean-Sébastien Caux van de Universiteit van Amsterdam. ‘De entropie van een systeem stijgt altijd, zo stelt de wet. Entropie is een maat van wanorde, een begrip dat duidelijk te definiëren is voor een hoeveelheid als 1023 moleculen. Maar wat is dan de entropie, de wanorde, van een enkel molecuul? De zachtere interpretatie van entropie die hier van toepassing is, geeft je de ruimte om de tweede wet te breken.’

Een mogelijke toepassing van het concept van een gokkend duiveltje zou in microscopische motortjes te vinden zijn. Zulke apparaatjes proberen te profiteren van de willekeurige fluctuaties in de omgeving om werk te verrichten.

‘Jammer genoeg werkt dat niet op lange termijn’, werpt Caux tegen. ‘Als je lang genoeg naar het volledige systeem kijkt, zal het netto geen werk opleveren. Hier komt dus geen nieuwe koelkast uit voort, en ook geen oneindige bron van energie.’

De race tegen de schildpad
LEESTIP: In De race tegen de schildpad beschrijft Marcel Vonk Maxwells demon en andere gedachte-experimenten. Te bestellen in onze webshop, als paperback of e-book.