Objekty o velikostech v řádu nanometrů existují v úplně jiném světě, než je ten přístupný naší zkušenosti. Buněčné molekulární komplexy anebo v laboratoři vyrobené nanostrojky jsou každým okamžikem vystavené náhodnému hemžení molekul, které je obklopují. V takovém prostředí to pak mají těžší i fyzikální zákony, které známe z makrosvěta jako pilíře reality.
Setkal se s tím i tým, který vedli Christoph Dellago z Vídeňské univerzity a Lukas Novotny ze Spolkové vysoké technické školy v Curychu. V časopisu Nature Nanotechnology nadšeně popisují, jak jim nanočástice ve vakuu polapená laserovým paprskem dočasně porušuje druhý termodynamický zákon. Jde tedy o prohřešek proti směřování fyzikálních dějů. Jen pro občerstvení, podle druhého termodynamického zákona se entropie, čili míra neuspořádanosti systému, nemůže samovolně snížit. Jak to všichni důvěrně známe, nepořádek vzniká velmi rychle a velmi snadno, ale sám od sebe se neuklidí. Systémy milují chaos, čili vysokou entropii a dávají mu přednost před řádem, neboli nízkou entropií.
V nanosvětě ale podle všeho nedbají na předpisy tak absolutně striktně. Druhý termodynamický zákon tu může být porušen, i když je to jen výjimečná a hlavně pomíjivá vzpoura proti establishmentu. Na mikroskopických škálách můžeme občas vidět i takové šílenosti, jako předání tepla od chladného objektu teplejšímu. Fyziky to samozřejmě fascinuje a rádi si s podobnými výstředními jevy hrají.
Dellago, Novotny a spol. si pohráli s druhým termodynamickým zákonem v experimentu se skleněnou nanokuličkou o průměru méně než 100 nanometrů, která jim levitovala v laserovém paprsku. Experiment si nastavili tak, že udrželi kuličku na jednom místě a mohli změřit její polohu ve třech rozměrech s nesmírnou přesností. Důvtipnou manipulací s laserovou pastí se jim povedlo skleněnou kuličku ochladit na nižší teplotu, než jakou měly okolní molekuly, a tím pádem ji uvést do nerovnovážného stavu. Pak ochlazování stopli a pozorovali, co se bude dít. Ukázalo se, že se jejich kulička v některých případech zachovala proti liteře druhého termodynamického zákona. Vzácně totiž došlo k přenosu tepla z kuličky na okolní molekuly, tedy z chladného objektu na objekty teplejší. Prostě k přesnému opaku toho, co praví dotyčný zákon. Vzhledem k bouřlivému rozvoji nanotechnologií budeme podobné studie termodynamického chování nanosvěta jistě vídat častěji.
Entropy. Kredit: MIT OpenCourseWare.
Michio Kaku and Morgan Freeman vysvětlují Entropii. Kredi: Muon Ray.
Literatura
Nature Nanotechnology online 30. 3. 2014, Wikipedia (Second law of thermodynamics).
Diskuze:
Oprava
Matěj Morávek,2014-04-18 12:38:40
Příspěvek je reakce na pány Mikoláše a Arona na spodku diskuse.
Gravitace s tím nemá co dělat
Matěj Morávek,2014-04-18 12:36:21
Váš názor je sice zajímavý a možná pravdivý, avč´šak v daném kontextu irelevantní. Teorie gravitačního pole a jeho relativistického zakřivení nemá s termodynamickými zákony nic společného. Termodynamika se skutečně zabývá čistě přenosem a přeměnou energie mezi systémy.
Jinak, pane Arone, termodynamické zákony byly skutečně definovány na systémech mnoha částic - je pravda, že jedna částice nemůže mít teplotu ani entropii. Já si také nemyslím, že by považovali tu kuličku za jednu částici, jak už někdo psal výše, oproti molekulám jednoduchých plynů (jako je třeba vzduch) je pořád velmi veliká. Chtělo by to přečíst si celý článek, přijde mi, že tento "výtah" je bohužel příliš zestručněn.
o dočasně a v malých souborech se nic o růstu
Josef Hrncirik,2014-04-09 19:14:48
tvrdit nedá. Musí být ohromný počet pozorování založený
buď na obrovském počtu sledovaných částic nebo dlouhé době pozorování (vzorky v čase nebo prostoru). Navíc samotné pozorování mění stav systému tím více, čím je přesnější. Ostatně přesnost by měla být uvedena. Zajímalo by mě tedy s jakou chybou je určena poloha nehybné skleněnky, jak rychle se pohybovaly okolní molekuly či jakou měly teplotu a koncentraci či tlak. Jakou měla rychlost skleněnka aktuálně "zastavená" či v tepelné rovnováze a jaké byly odpovídající neurčitosti měření rychlostí či vibrační teploty. Tepelný tok většího souboru skleněnek bude mít také fluktuace, ale ty ho už neobrátí proti II. zákonu.
Autorská práva
Jan Konečný,2014-04-11 14:16:30
ale pane Hrncirik, vy chcete Nature nanotechnology zadarmo : ))
Sir Arthur Stanley Eddington
Vitas Stradal,2014-04-09 13:06:30
The law that entropy always increases, holds, I think, the supreme position among the laws of Nature. If someone points out to you that your pet theory of the universe is in disagreement with Maxwell's equations — then so much the worse for Maxwell's equations. If it is found to be contradicted by observation — well, these experimentalists do bungle things sometimes. But if your theory is found to be against the second law of thermodynamics I can give you no hope; there is nothing for it but to collapse in deepest humiliation.
Zákon, že entropie vždy roste, má, myslím, výsostné postavení mezi zákony přírody. Pokud někdo upozorní, že váše milovaná teorie vesmíru je v nesouhlasu s Maxwellovými rovnicemi - pak tím hůř pro Maxwellovy rovnice. Pokud je zjištěno, že je v rozporu s pozorováním - víte, ti experimentátoři někdy věci dokáží pořádně zamotat. Ale pokud je vaše teorie v rozporu s druhým zákonem termodynamiky nemohu vám dát žádnou naději; neočekává ji nic, jen kolaps v nejhlubší ponížení.
http://en.wikiquote.org/wiki/Arthur_Stanley_Eddington
manželka
Rudolf Svoboda,2014-04-08 09:05:10
Prosil bych dobrovolníka, který by antropický princip vysvětlil manželce. To je míra neuspořádanosti v našem bytě je v souladu s přírodními zákony nechce akceptovat.
kulička 100 nm je oproti molekule plynu
Josef Hrncirik,2014-04-08 01:06:53
průměru cca 0,2 nm přímo makroobjekt. U kuličky pravděpodobně zastavili jen translaci, tj. byla studená jen translačně, ale ne vibračně či rotačně a tak mohla občas náhodně přihřát i translačně teplejší molekuly či dokonce tyto molekuly ji občas při správné srážce mohly translačně ochladit. Pokud se příliš či dlouhodobě neochlazovala nad běžné fluktuace teploty příslušné její velikosti a teplotě a četnosti srážek, není to nic proti ničemu, dokonce je to důsledek 2. zákona termodynamiky. Prostě fluktuace jsou také pravděpodobné.
mýlím se ?
Pavel Aron,2014-04-07 21:20:26
Mám pocit, že termodynamické zákony jsou statistického charakteru a platí pro soubory částic, nikoliv pro jednotlivé částice.
Som toho istého názoru, až na to, že nejde o pocit
Rene Mikolas,2014-04-08 07:54:37
Opakujem svoj filozofický pohľad na vec.
Kvantová a klasická gravitácia si žijú svoje vlastné životy. Jednotná teoria síl je mrtva a mrtvou zostane.
A svoje vlastné životy si žijú i makrosvet a mikrosvet.
Spojiť ich je nemožné.
Diskuze je otevřená pouze 7dní od zvěřejnění příspěvku nebo na povolení redakce
