Pavel Břichnáč: Druhá věta termodynamická neplatí?

Fluktuační teorém

Druhá věta termodynamická se svým tvrzením o produkci entropie platí samozřejmě pro velké statistické soubory, kde je možné provádět rozumné středování. Systém musí obsahovat velké množství částic po dosti dlouhou dobu. Pro malé systémy složené z několika částic dochází na krátkých časových úsecích k fluktuačním odchylkám od druhé věty termodynamické (odchylky by se vystředovaly, pokud bychom systém pozorovali po dosti dlouhou dobu). Analytický výraz popisující odchylky od druhé věty termodynamické je znám jako fluktuační teorém a byl odvozen před deseti lety prof. Evansem a jeho kolegy z ANU (Australian National University).

Nanostroje

Obrovský rozvoj nanotechnologií vede u mnoha lidí k představě, že různá zařízení lze zmenšovat až do nanometrových rozměrů a že budou vykonávat svoji činnost obdobně jako zařízení větších rozměrů. Právě fluktuační teorém a narušení druhé věty termodynamické způsobuje, že existuje základní omezení pro zmenšování velikosti zařízení (tzv. nanostroje). Díky krátkodobým fluktuacím bude docházet pro malé zařízení namísto produkce entropie k jejímu poklesu a zařízení bude v těchto okamžicích fungovat obráceně (stroj poběží na opačnou stranu).

Experimenty

Poprvé byl experimentálně prokázán nesoulad s druhou větou termodynamickou profesorem Denisem Evansem a jeho kolegy z ANU v polovině roku 2002. K ověření fluktuačního teorému vědci použili asi 100 latexových kuliček (každá o průměru 6,3 µm), které byly umístěny do komůrky naplněné vodou a ta pak na podložní sklíčko mikroskopu. Vědci zamířili laserový paprsek na jednu z latexových kuliček a vyvolali v ní dipólový moment, který ji potom táhnul směrem k místu s největší intenzitou elektrického pole v laserovém paprsku. Kulička je zachycena laserovým paprskem (tzv. optická past) a je možné s ní pomocí paprsku manipulovat. Síla působící na částici v ohnisku laserového paprsku je přibližně harmonická.

Síla působící na kuličku ji táhne do středu laserového paprsku.

Vědci pohybovali podložním sklíčkem mikroskopu tak, aby byla každá latexová kulička chvilku pod přímým účinkem laserového paprsku a chvíli ne. To prováděli 540krát za deset sekund a během jedné sekundy provedli 1000 měření polohy jednotlivých latexových kuliček. Zkombinováním těchto pokusů byl Evansův tým schopen spočítat síly působící na latexové kuličky a změny entropie systému.

Evans a jeho spolupracovníci zjistili, že při některých trajektoriích je entropie spíše pohlcována než vytvářena. Tento jev byl pozorován, když vědci sledovali latexový preparát po dobu asi jedné desetiny sekundy. S rostoucí dobou pozorování počet těchto trajektorií klesal a pro pozorování delší jak dvě sekundy nebyly pozorovány žádné trajektorie se zápornou produkcí entropie. Výsledky přesně souhlasily s počítačovými simulacemi fluktuačního teorému.

Důsledky experimentů mohou být velmi významné. Sledování malých systémů může napomoci pochopit vztah mezi vratností procesů na úrovni elementárních interakcí a nevratností v makroskopických systémech. S fluktuačním teorémem je třeba počítat při návrhu malých strojů. Pokud se stává termodynamický systém menším, pravděpodobnost, že poběží „obráceně“ roste. To může vysvětlit mnohé procesy v malých biologických systémech (např. proteinových motorech). V České republice se problematikou fluktuačního teorému zabývají Doc. Jiří Bok a Prof. Vladislav Čápek z MFF UK.

Odkazy