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Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt grob, dass man aus dem Nichts nichts herausholen kann. Da zum Beispiel keine freie Energie vorhanden ist, ist es nicht möglich, eine Perpetual Motion-Maschine zu erstellen, obwohl bereits einige zumindest kuriose Versuche unternommen wurden.

Ein weiterer Aspekt desselben Gesetzes ist die Tatsache, dass Energie immer versucht, sich selbst auszugleichen. Wenn Sie einen Topf mit heißem Wasser haben und kaltes Wasser darüber gießen, erhalten Sie eine warme Flüssigkeit. Wenn Sie dieses Wasser kühlen oder erhitzen möchten, benötigen Sie eine externe Stromquelle.

James Maxwell und seine mentale Übung

Alles war perfekt, bis der Schotte James Maxwell 1867 eine Übung vorschlug, die viele Menschen verwirren würde: Stellen Sie sich vor, Sie hätten einen Behälter mit warmem Wasser. Dieses Wasser hat Moleküle, die sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen, wobei sich die "heißeren" schnell bewegen, während sich die "kälteren" langsam bewegen. Trotzdem ist die durchschnittliche Wassertemperatur warm.

Maxwell schlug dann vor, diesen Behälter in zwei Hälften zu teilen, wobei nur eine winzige Tür von der Größe eines Wassermoleküls zwischen ihnen offen blieb. Konstruieren Sie die Tür so, dass schnelle Moleküle von ihr angezogen werden und sich in der einen Hälfte des Behälters ansammeln. Wenn sich ein langsames Molekül der Tür nähert, gelangt es auf die andere Seite.

Auf diese Weise hätte diese Tür nach einer Weile angeordnet, dass die Moleküle schnell und langsam sind, was bedeutet, dass warmes Wasser ohne die Verwendung einer zusätzlichen Energiequelle in warmes und kaltes Wasser umgewandelt worden wäre. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik ist offenbar verletzt.

Das zweite Gesetz in der Praxis brechen

Maxwells Idee ist interessant, aber eine mentale Übung. Im Jahr 2010 haben Wissenschaftler gezeigt, dass es möglich ist, ein Stück Plastik mit der zufälligen Bewegung von Luftmolekülen zu bewegen, mit einer Tür, die der von Maxwell in seiner Übung vorgeschlagenen Tür ähnelt.

Das Plastikstück wird an den Anfang einer kleinen Leiter gestellt und beginnt plötzlich, nach oben gedrückt zu werden. Immer wenn er das tut, wird eine elektrische Tür direkt unter ihm geschlossen. Die an diesem Port verwendete Energie ist vom Rest des Systems isoliert, um sicherzustellen, dass das Experiment nicht beeinträchtigt wird. Im Laufe der Zeit erreicht der Kunststoff die Treppenoberseite, ohne dass ihm Energie von außen zugeführt wird.

Informationen in Energie verwandeln

Nach eingehender Untersuchung dieser Fälle sind die Physiker zu dem Schluss gekommen, dass diese Experimente von vielen sehr genauen Informationen über das System abhängen, in dem sie durchgeführt werden. In Maxwells mentaler Übung müssen Sie die Geschwindigkeit der Bewegung von Molekülen kennen und im praktischen Experiment 2010 müssen Sie immer die Position des Plastikstücks überwachen.

Alle diese Messungen hängen von der Energie ab, die ihrerseits versucht, sich mit der „freien“ Energie, die sich außerhalb des Systems befindet, auszugleichen. Mit anderen Worten, was passiert, ist die Umwandlung von Informationen in Energie: Informationen über die Position des Plastikstücks werden in Energie umgewandelt, die es nach oben drückt. Das heißt, der zweite Hauptsatz der Thermodynamik bleibt doch erhalten.

Die verrückten Dinge der Quantenwelt

Jetzt haben Wissenschaftler der Universität Kyoto und der Universität Tokio, beide in Japan, herausgefunden, dass die Quantenmechanik diesen Experimenten einige zusätzliche Komplikationen verleiht und dass erneut offenbar der zweite Hauptsatz der Thermodynamik verletzt wird.

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Zu diesem Zweck ergänzen sie die Maxwell-Übung um ein Konzept, das als Quantenverschränkung bekannt ist. Wenn zwei Teilchen in Quanten verschlungen sind, verhalten sie sich wie eine, obwohl sie durch ein ganzes Universum voneinander getrennt sind. Somit ist es möglich, nur einen von ihnen zu messen und Informationen über den anderen zu erhalten. Und wie wir bereits gesehen haben, sind Informationen in diesem Zusammenhang Energie.

In dem obigen Fall wäre es daher möglich, Energie zu verwenden, um die Hälfte der Moleküle zu messen und Informationen über alle von ihnen zu erhalten. Mit anderen Worten wäre es möglich, den Behälter zwischen „heißen“ und „kalten“ Molekülen aufzuteilen, wobei nur die Hälfte der im klassischen Modell benötigten Energie benötigt wird.

Derzeit ist dies alles nur eine mathematische Rechnung, die in einem wissenschaftlichen Artikel (PDF) mit griechischen Symbolen gefüllt ist. Die große Leistung der Autoren bestand darin, herauszufinden, dass der zweite Hauptsatz der Thermodynamik auch von Quanteneffekten abhängt, und jetzt arbeitet das Team daran, ihn so zu erweitern, dass auch diese Offenbarung angesprochen wird.

Laut der Technology Review-Website wird diese Forschung wichtige Auswirkungen auf alle Arten von Phänomenen haben, von Schwarzen Löchern und Astrobiologie über Nanomaschinen bis hin zur Quantenchemie.

Quelle: Technology Review