A másodfajú Maxwell-démon

10 éves évfordulója van annak, hogy nem publikálok Kárpáti Igaz Szóban, miután 2003-2004-ben egy rövid időre írásaimmal újra megjelentem hasábjain (annak előtte 12 évig szintén nem…). Ebből az alkalomból ebben a blogban újraközlöm akkori írásaimat. Az alább következő rövid jegyzet Múzsák és mázsák c. önálló oldalamon jelent meg a lap Hóvége mellékletében.

Ám a történet nem zárul le ennyivel, a cikk alatt olvasható a folytatás. Szólok többek között saját bűnös mulasztásomról is.

maxwell-demonBalla D. Károly

Csupa kis Pumukli

James Clerk Maxwell (1831-1879) skót fizikus alkotta a hipotézist, miszerint ha gázt tartalmazó két tartály összekötő nyílásába olyan lényt tudnánk helyezni, amely az egyik irányba csak a lassúbb molekulákat, a másik irányba pedig csak a gyorsabbakat engedné át, akkor az egyik tartály felmelegedne, a másik lehűlne, akár gőzgépet is működtethetnénk általa. Tudományosabb megfogalmazásban: a termodinamika második főtételének ellentmondva munkavégzés nélkül csökkenthetnénk a rendszer entrópiáját, semmiből keletkező energiához jutnánk. Azaz megvalósulna a perpetuum mobile, az örökmozgó.

A fizikusok később jöttek rá arra, hogy a démon „működtetéséhez” információt kellene közölni vele, amely alapján a gyors és lassú („meleg és hideg”) molekulákat megkülönböztethetné, az információ megszerzése és közlése pedig éppen annyi munkavégzést kívánna, mint amennyit a hőmérséklet-különbségből nyerni lehetne.

Az információ és az energia tehát egymás ekvivalensei – tudjuk azóta.

Állítólag sci-fi szerzők alkották meg a másodfajú démont, amelynek az lenne a funkciója, hogy az információt felfogja és közölje az elsődleges démonnal.

Egy magyar szakember pedig, a debreceni egyetem oktatója, Buda Mariann néhány évvel ezelőtt írt tanulmányában az Internet lehetőségeit és veszélyeit elemezve állapította meg, hogy az információ közlését válogatásnak, szelekciónak kell megelőznie, így a fiatalokra zúduló adattengerből a tanárnak – mint harmadfajú démonnak – kell kiszűrnie az éppen szükséges ismereteket.

Az új fogalom és felvetés kétségkívül ráirányította a figyelmet a problémára (később szakemberek többször hivatkoztak rá), értelmezni azonban, szerintem legalábbis, inkább csak szimbolikusan lehetséges. A hírközlésben ugyanis előbb van a mindent felfogó antenna (vagy más jelfogó), és aztán a kívánt hullámhosszt kiszűrő rezgőkör (vagy más szelektor). Ha a másodfajú démon az információ vevője, befogója, akkor a szűrés nem „elé”, hanem „mögé” kell. Vagyis a szelektáló tanárdémont az elsőfajú és a másodfajú közé kell beiktatni. (A neve lehetne mondjuk másfeledfajú…)

Ha feljebb akarunk haladni az információláncon, akkor pedig a harmadfajú démon nem az, aki-ami szelektál, hanem az információ előállítója, rögzítője és elindítója. Vagyis például az új ismereteket alkotó tudós.

Amikor erről az elképzelésemről a festő-barátom értesült, azt vártam, hogy a művészeket is besorolja a magas démoni csoportba. Ehelyett azonban így reagált: „Tévedésben vagy, nagy fehér testvérem. Még hogy a tanár és tudós démoni szerepben! Ugyan! A média az igazi démon. És ezt mozgatja a fődémon: a pénz és a hatalom – vagyis az információ tényleges birtokosai. Az összes többi nem démon, hanem legfeljebb manó és kobold, csupa kis Pumukli.”

Megjelent: Kárpáti Igaz Szó, 2004. január 31.

És akkor az utótörténet

Mint ahogy gyakorlatilag egyik igazszós cikkemnek (még a liberalizmus kárpátaljai szükségességéről írtnak sem), ennek a Pumuklit idézőnek sem lett semmilyen olvasói visszhangja. Ám aztán 2006-ban a szöveget gyakorlatilag változatlan formában megjelentettem akkori főblogomban. És ez nem maradt visszhangtalanul. Az első hozzászóló a jeles jövőkutató Galántai Zoltán volt, akivel akkoriban közeli internetes blogger-barátságban álltam, rendszeresen véleményezte posztjaimat, ha a tudományok világába merészkedtem. A fentiekhez ennyit fűzött hozzá:

 

zgalant
Lem nagyon szépen megírja, hogy a Kiberiáda mérnökei hogyan állítanak elő egy zsák állott levegőből afféle igazság-gépet: csak egy olyan démon kell hozzá, ami értelmezi a molekularezgéseket, és kihalássza az igaz információkat. Az viszont kissé problémássá teszi a dolgot, hogy az igaz információ nem szükségképpen érdekes:-)

Akkor nagyon elszégyelltem magam. Lem és a Kiberiáda! Hiszen kedvencem! Hogy mulaszthattam el, hogy közvetlenül erre utaljak!? Hogy esett ki a fejemből ez a történet?! Hogy írhattam azt, hogy Állítólag sci-fi szerzők alkották meg a másodfajú démont – ahelyett, hogy kedvenc szerzőm körül illő tiszteletkört tettem volna!

Bizony, sem a jegyzet írásakor, sem az 2006-os blogbéli újraközléskor nem esett le a tantusz. Egyszerűen kiment a fejemből, hogy Trurl mérnök, aki általános omnipotenciátor és márnök-barátja, Klapanciusz saját kezűleg készítették el a mohó zsiványnak a Másodfajú Démont, amely mágikus, termodinamikus, antiklasszikus és statisztikus. Talán ezért felejtettem el, mert Lem  írásában Maxwellről nem esik szó, és amikor kamaszkoromban olvastam, nem ismertem ezt a hipotézis, így a másodfajú démont csak afféle jópofaságnak, Lem-leleményének gondolhattam – és szépen elfelejtettem. Szánom-bánom!

Ugyanerre utalt akkori blogposztom következő (számomra ismeretlen, de szakmailag hozzáértőnek gondolgató) hozzászólója, aki már a magyar pedagógus gondolatmenetére is reflektált. Imigyen:

Kassad
Csak pontosítani szeretnék a Maxwell-démonnal kapcsolatban.

Mivel az „elsőfajú” és „másodfajú” kifejezések az örökmozgóval, illetve a termodinamika első és második törvényével vannak kapcsolatban, … ezért a Maxwell-démon, már természeténél fogva „másodfajú” démon.

A „másodfajú démon” minden bizonnyal Stanislaw Lem – Kiberiáda – A hatodik utazás, avagy hogyan épített Trurl és Klapanciusz másodfajú démont az okleveles zsivány számára – című művéből került a köztudatba. ….

Buda Mariann tanulmánya rendkívül érdekes, azonban szinte mindenről szól, csak arról nem, ami a címében szerepel.
Arról mindössze négy mondatot ír a tanulmánya végén.
A tanulmány 1997-ben készült és gyakorlatilag az az idő tájt uralkodó bizonytalanságot tükrözi az internettel mint új médiummal szemben. Magyarországon, ha emlékeim nem csalnak, körülbelül 1994-ben jelentek meg az első internet-szolgáltatók, tehát 2-3 év tapasztalatai tükröződnek a tanulmányban, vélhetőleg olyan személytől, aki nagyon sok mindent helyesen látott, de igazából nem tudta megérteni az új médiumot. Legalábbis az adott időpontig.

Tehát, hellyel-közel mindenki egy kicsit kép- és fogalomzavarban van démonügyileg, hiszen a démon már eleve másodfajú, megvan az „algoritmusa”, vagyis szétválogatja a hideg és meleg molekulákat.

A „harmadfajú” démon jól hangzik, de amiről igazából szó van, az Buda esetében a tanár jövőbeni lehetséges szerepe az internet mint tanulási forrás esetében (amiről ugye nem sok szó esett).

Illetve a te konkrét problémád tulajdonképpen az, hogy a hagyományos „író” paradigma vajon mit jelent az internet megjelenésével. Most szándékosan szűkítek, mert úgy vélem, hogy ez az igazi kérdésed. És a képzeletbeli festőbarátoddal való párbeszédből arra következtetek, hogy szembeállítod a „médiát” a „független” alkotó személyiséggel, amely most az internet létével és annak lehetőségeivel igazi „esélyt” kapott a „démoni” médiával szemben.

A trendeket figyelve, a „független alkotó” igencsak komoly befolyásra tett szert, olyannyira, hogy a „hagyományos”, mainstream média is alkalmazni próbálja ezeket az új „technikákat” illetve igyekszik átalakítani a struktúráját, hogy konform legyen ezekkel (blogolás, social networking, stb). Tulajdonképpen, minden hagyományos média funkciónak, vagy területnek van versenyképes alternatívája a „független” internet-világban.

De hogy egyénileg ki fog „érvényesülni” ez továbbra is a hagyományos „struggle for life” módon fog zajlani.
Vagy hogy mai módon fejezzem ki magam: „Content is everything”.

Újabb évek teltek el. 2010-ben aztán ezt a cikket olvashattam:

Újra felbukkant a Maxwell-démon: információból nyertek energiát fizikusok

A fizika törvényei szerint a semmiből nem nyerhető energia. Ami még rosszabb: a fizikai  rendszerbe bevitt energiát sem nyerhetjük maradéktalanul vissza. Egy XIX. századi paradoxon által ihletett, nanoskálájú kísérlet azonban megdönteni látszik ezeket a törvényeket, és megmutatja, hogy energia nyerhető információból. Vagy ha nem is magából az információból, a megfigyelés mégis különös szerephez jut az alábbi kísérletben.

Szano Maszaki, a Tokiói Egyetem fizikusa és munkatársai igazolták, hogy egy gyöngy energia befektetése nélkül is felcsalogatható egy „csigalépcsőn”. Az elv: csak a nagyobb ellenállás irányába engedték mozogni a gyöngyöt, amelynek pozícióját állandóan figyelték. Ebben az értelemben az „információ alakul át az energiává” – mondja Szano.
hirdetés

Az ötletgazda nem más, mint James Clerk Maxwell skót fizikus. Az ő tizenkilencedik századi, már akkor is vitatott gondolatkísérlete azt sugallta, hogy a megfelelő információ birtokában hideg tárggyal is fűthetünk melegebbet. Gondolatkísérletében egy parányi démon őrt áll egy ajtónál két gázzal teli szoba között, és a gyors mozgású molekulákat csak az egyik, a lassúakat csak a másik irányba engedi át.

Ennek eredményeként az egyik szoba fokozatosan felmelegszik (mert benne a molekulák átlagsebessége nagyobb lesz), a másik pedig lehűl. A démon tehát anélkül, hogy megváltoztatná a gázmolekulák energiáját, pusztán sebességük ismeretében hőmérsékletkülönbséget hoz létre. Úgy tűnik, ez sérti a termodinamika második főtételét, amely kimondja, hogy egy rendszert energia-bevitel nélkül nem válhat rendezettebbé. Maxwell feltételezte, hogy az ajtó nyitogatásához nem kell energia.

A paradoxon a gyakorlatban

Szano és kollégái a kísérlet megvalósításához egy nanoméretű (a nanométer a milliméter milliomod része), megnyúlt alakú polisztirol gyöngyöt használtak, amely egy folyadéktartályban az óramutató járásával megegyező és azzal ellentétes irányba is elfordulhatott. A kutatócsoport a gyöngy körüli elektromos tér beállításával  fokozatosan egyre nehezebbé tette a gyöngy számára az óramutató járásával ellentétes irányú, teljes 360 fokos fordulatot . Ezzel gyakorlatilag egy elektromos „csigalépcsőt” hoztak létre, melyen nehezebb „felfelé haladni”, azaz az óramutató járásával ellentétes irányban forogni, mint „lefelé”, az óramutató járásával megegyező irányban.

A gyöngyöt magára hagyva azt véletlenszerűen lökdösték a környező molekulák. Néha elég lökést kapott ahhoz, hogy magasabb lépcsőfokra lépjen, de természetesen gyakrabban lépett lefelé. A helyzet azonban megváltozott, amikor a csapat működésbe hozta saját fejlesztésű Maxwell-démonát. Figyelemmel kísérték a gyöngy mozgását, és amikor az véletlenszerűen óramutató járásával ellenkező irányba fordult, gyorsan állítottak a feszültségen. Ez felelt meg annak, hogy az ekvivalens Maxwell-démon becsapja az ajtót egy gázmolekula előtt. Ezáltal nehezebb lett a gyöngynek az óramutató irányában elfordulni, így „felfele” kezdett mászni, anélkül, hogy közvetlenül energiát közöltek volna vele.

A kísérlet valójában nem sérti a termodinamika második főtételét, mert a rendszerben mint egészben, energiát kell fogyasztani a gépeknek és a kísérletezőknek. A gyöngy figyelemmel kísérése és szükség esetén a feszültség kapcsolgatása energiaigényes, de az információt ebben az esetben fel lehet használni az energiaátadás közegeként. A kutatók szerint a gyöngy mozgatásakor 28%-os hatékonysággal alakították át az információt energiává.
hirdetés

„Ez egy gyönyörű igazolása annak, hogy az információnak van termodinamikai aspektusa” – mondja Christopher Jarzynski, a Maryland Egyetem statisztikai vegyésze. Ő 1997-ben felállított egy egyenletet, melynek segítségével az egységnyi információval kinyerhető energia mennyiségét lehet megbecsülni. Szano és csapata most kísérletileg igazolta ezt az egyenletet, mely nem mond ugyan ellent a második főtételnek, de mégis mond újat a termodinamikai törvények mikroszkopikus szintű működéséről.

Vlatko Vedral, az Oxford Egyetem kvantumfizikusa szerint ez a technika alkalmas lehet majd nanomotorok és mesterséges molekuláris gépek működtetéséhez. „Végül is minden élő rendszer olyan Maxwell-démon, amely a véletlenszerűségbe visszafordító tendenciával próbál szembeszállni” – mondja. Ez akkor is igaz, hogy ha ezt a Maxwell-démont etetni kell, azaz energiát fogyaszt. (Origo)

Adalékok:

A Kárpáti Igaz Szóban akkoriban megjelent írásaimból ajánlom még:

Megjelölve , , .Könyvjelzőkhöz permalink.

Vélemény, hozzászólás?

Az email címet nem tesszük közzé. A kötelező mezőket * karakterrel jelöljük.