Durante mucho tiempo, se pensó que el experimento mental del demonio de Maxwell era contrario a las leyes de la naturaleza. Ahora parece que el experimento se puede realizar sin ir en contra de las reglas de la termodinámica.
El demonio de Maxwell es un experimento mental que el matemático escocés James Clerk Maxwell propuso por primera vez en 1867. Maxwell imaginó un pequeño demonio que puede abrir y cerrar una puerta entre dos cámaras llenas de gas. Al abrir y cerrar suavemente la puerta, el demonio permite que solo las partículas de gas que se mueven rápidamente entren en una habitación. Por el contrario, solo permite que las partículas de movimiento lento pasen a la otra habitación.
Como la velocidad de las partículas determina la temperatura de un gas, la primera cámara se calienta y la otra se enfría. La diferencia de temperatura resultante se puede utilizar para mantener un motor en funcionamiento para siempre.
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El problema es que las acciones del demonio reducen la entropía, o grado de desorden, en este sistema cerrado sin gastar energía. Eso viola la Segunda Ley de la Termodinámica.
Experimento mental en la práctica
Desde entonces, el experimento se ha llevado a cabo en la práctica con cámaras microscópicas. Se hizo uso de fluctuaciones de temperatura minúsculas, las llamadas fluctuaciones térmicas, en las que una partícula de gas se desvía accidentalmente brevemente de la velocidad de movimiento promedio. Todos estos experimentos prácticos requieren una fuente de energía externa. Como resultado, las leyes de la termodinámica permanecen intactas.
Para estudiar el uso de las fluctuaciones térmicas con más detalle, se necesita un demonio que también funcione a escalas mayores. Nahuel Freitas y Massimiliano Espositofísicos de la Universidad de Luxemburgo, ahora han inventado un demonio que funciona a cualquier escala. Sin embargo, el demonio tiene una menor eficiencia a medida que aumenta la escala. «Cuanto más grande es el demonio, más energía tienes que usar para que funcione», dice Esposito.
Su configuración comienza con un inversor CMOS, un pequeño dispositivo utilizado en muchos circuitos electrónicos, que consta de dos transistores. Los transistores pueden verse como puertas, una de las cuales se abre cuando hay un voltaje negativo en el inversor, mientras que la otra se abre cuando se aplica un voltaje positivo. Un segundo inversor CMOS con una fuente de alimentación externa actúa como el demonio. Mientras que el demonio Maxwell original clasificaba las partículas por velocidad, esta versión clasifica el voltaje por dirección. En lugar de almacenar cada voltaje en su propio lado de una caja, descarta los voltajes negativos y envía el positivo de regreso al primer inversor.
En teoría, incluso si no se aplica voltaje externo al sistema, el demonio debería poder aprovechar las fluctuaciones minúsculas y crear un voltaje desde cero. “Sería genial que funcionara”, dice Nahuel. «También sería una violación de la segunda ley de la termodinámica».
máquinas biológicas
Este tipo de sistemas puede ayudar a los investigadores a estudiar las fluctuaciones térmicas, que surgen a pequeña escala de los efectos de la mecánica cuántica que normalmente no podemos ver a escalas más grandes. «Esta física interesante se puede llevar de la microescala a la macroescala, por lo que podemos ver algunos de estos efectos muy agradables que no esperamos en la macroescala», dice Esposito.
Esto también puede enseñarnos sobre máquinas biológicas como las enzimas (proteínas que aceleran las reacciones en las células), que amplifican las pequeñas fluctuaciones en su entorno.
«Estamos tratando de entender si el demonio de Maxwell es solo un experimento mental divertido para demostrar los conceptos básicos de la física, o si puede salir algo práctico de él», dice. Juan Bechhoefer† Es profesor de termodinámica estocástica en la Universidad Simon Fraser de Canadá. Podrías pensar en algunas máquinas biológicas como un demonio de Maxwell. Entonces, con suerte, al tratar de comprender todos los diferentes aspectos, podemos obtener una mejor comprensión de la idea», dice.