Energie opgewekt uit informatie

De Duivel van Maxwell
In 1867 publiceerde de vooraanstaande Schotse natuurkundige James Clerk Maxwell, een gedachtenexperiment dat laat zien hoe je hitte kan onttrekken aan een opslagruimte met gas. Men neme een vat met twee Deze ‘duivel van Maxwell’ neemt waar hoe snel een bepaald deeltje beweegt. Alleen de snelle deeltjes laat hij door, waardoor hij netto energie kan onttrekken aan het vat met gas, hoewel dat dezelfde temperatuur heeft als de omgeving. Als hij daar en tijdje me doorgaat, bevinden op en gegeven moment alle snelle deeltjes zich aan een kant van het vat en de langzame aan de andere kant. Wij nemen dat waar als een temperatuursverschil. Aan een temperatuursverschil kan je vrije energie (energie waarmee je arbeid kan verrichten, dus) onttrekken, bijvoorbeeld met behulp van een Stirlingmotor. Deze ‘demon’ bezorgde natuurkundigen heel wat hoofdbrekens. Immers, de Tweede Hoofdwet van de thermodynamica stelt dat er geen natuurlijk proces bestaat, waardoor de hoeveelheid vrije energie kan toenemen.

De duivel in de praktijk
Enkele jaren geleden slaagden Japanse fysici er al in een soort Maxwell-ladder te creëren. Op sub-millimeterniveau bestaat er een soort moleculaire turbulentie. Af en toe stuiteren er meer moleculen tegen een deeltje aan de ene kant dan aan de andere kant, waardoor het onregelmatige bewegingen maakt, de zogeheten Brownse beweging. De fysici maakten op slimme wijze gebruik van dit effect. Een heel klein balletje werd ‘omhoog’ gedwongen (d.w.z. kreeg meer potentiële energie) door het balletje op het moment dat de Brownse beweging het ‘omhoog’ duwde, vast te zetten. Hun truc: ze koppelden het krachtveld aan een videocamera, die op het moment dat het balletje omhoog bewoog, een elektrisch signaal gaf zodat het op de hogere positie werd vastgezet.

Op het eerste gezicht lijkt dit het recept voor een werkende perpetuum mobile. De duivel zit hem echter in de details. Om waar te nemen of een atoom (of het polystyreen balletje dat in dit experiment werd gebruikt) daadwerkelijk veel energie bevat, moet het waargenomen worden. Deze waarneming vergt energie. Dit is ook de manier waarop fysici Maxwell’s duivel uitdrijven. Moderne thermodynamica wordt dan ook in termen van informatie beschreven. Het begrip entropie uit de thermodynamica wordt ook in de informatieleer gebruikt: hoe meer entropie, hoe meer informatie. Interessant aan het experiment is echter dat informatie in energie werd omgezet. Hiermee hebben ze heel wat collega’s aan het denken gezet over de diepere fundamenten van thermodynamica en de rol die informatie speelt, vooral op het gebied van kwantummechanica.

Kwantumverstrengeling
Een manier waarop kwantummechanica een rol kan spelen is door middel van kwantumverstrengeling, Immers: kwantumverstrengeling legt informatie van een deeltje vast. Als vcan één deeltje alle eigenschappen bekend zijn, bijvoorbeeld door een meting, dan zijn die van het verstrengelde deeltje ook bekend. Dit effect is ook te gebruiken in een ‘Duivel van Maxwell’ experiment. Ken Funo en zijn collega’s doen dat als volgt. Stel je twee vaten met deeltjes voor met een valdeur er tussen. De valdeur wordt gebruikt om de snelle deeltjes in één doos te houden en de langzame in de andere. In een klassiek experiment zou je de deeltjes in beide vaten moeten meten. De zaken liggen echter anders als de deeltjes in de eerste doos verstrengeld zijn met de deeltjes in de tweede doos. In dat geval geven metingen aan de deeltjes in één doos je informatie over de deeltjes in een andere doos. Als je die informatie eenmaal hebt, kan je met behulp van die informatie besluiten welke deeltjes je doorlaat en welke niet. M.a.w. je kan de techniek van Maxwell’s Duivel toepassen en zo de snelle van de langzame deeltjes scheiden, waardoor er vrije energie uit het niets ontstaat.

Deze ontdekking bewijst dat de wetten van de thermodynamica niet alleen maar voor klassieke situaties gelden, maar ook een duidelijke werking hebben op het gebied van de kwantummechanica. Funo en zijn groep zijn er nu in geslaagd deze theorie zo uit te breiden, dat ze inderdaad kwantumthermodynamische effecten kunnen beschrijven. Deze ontdekking kan woren gebruikt op zeer veel terreinen, variërend van de kwantumbeschrijving van zwarte gaten tot astrobiologie, kwantumchemie (denk bijvoorbeeld ook aan de reacties die bij extreem lage temperaturen plaatsvinden door kwantumeffecten) en nanomachines. Welk onderzoeksteam zal het effect als eerste in de praktijk aan kunnen tonen?

Lees ook:
Energie aftappen uit een ander universum?

Bronnen
1. Toyabe et al., Information Heat Engine: Converting Information To Energy By Feedback Control, ArXiv (2010)
2. Ken Funo, Yu Watanabe en Masahito Ueda, Thermodynamic Work Gain from Entanglement, ArXiv 2012