Fizik

Maxwell’in Cini Foton Kullanılarak Canlandırıldı

Fizikist

15-02-2016 08:37
28498 kez okundu.

Maxwell’in Cini Foton Kullanılarak Canlandırıldı — Termodinamiğin ikinci yasasını ihlal ediyor gibi görünen varsayımsal (hipotetik) bir varlık olan Maxwell’in cini, 1867 yılında Maxwell tarafından ilk kez ortaya atılışından bu yana çok sayıda araştırmaya konu olmuştur. Bu araştırmaların büyük bölümü kuramsal olup, pek azı Maxwell’in cinini gerçeğe dönüştüren deneyler olabilmiştir. Bu deneylere geçtiğimiz günlerde bir yenisi daha eklendi.

Oxford Üniversitesi fizikçilerinden Mihai D. Vidrighin ve ekibi tarafından yapılıp, sonuçları Physical Review Lettersdergisinin son sayısında yayımlanan araştırmada, Maxwell’in cininin ilk fotonik uygulamasının gerçekleştirildiği belirtildi. Deneyde, iki ışık demeti üzerinde yapılan ölçümlerin, demetler arasında enerji dengesizliği yaratmak için kullanılabileceği ve aradaki enerji farkının işe dönüştürülebileceği gösterildi. Deneyin en ilginç yanlarından biri, söz konusu işin daha sonra bir pili şarj etmek için kullanılabilmesi; yani cinin etkinliğine doğrudan bir kanıt sağlaması.

Mawxell’in zihninde canlandırdığı asıl düşünce deneyinde, gaz dolu iki kutunun arasında cin bulunur. Başlangıçta gaz moleküllerinin ortalama enerjisi (ya da hızı) kutuların ikisinde de aynıdır. Fakat cin kutular arasındaki duvarda bulunan ufak bir kapıyı açabilmekte ve kapıya yaklaşan herbir gaz parçacığının enerjisini ölçebilmektedir. Buna göre sadece yüksek enerjili parçacıkların bir yöne geçmesine, sadece düşük enerjili parçacıkların da diğer yöne geçmesine izin verir. Zaman ilerledikçe kutulardan birinin ortalama enerjisi yükselerek basınç farkına neden olur. Ortaya çıkan itme kuvveti iş yapmak için kullanılabilir. Görünüşe göre cin sistemden iş elde etmeyi başarmıştır; üstelik sistem başlangıçta tek bir sıcaklıkta denge durumunda bulunmasına rağmen. Yani termodinamiğin ikinci yasasını ihlal etmiştir.

Geçtiğimiz yıllarda görünüşteki bu çelişki fizikçiler tarafından şu açıklama ile çözülmüştü: Cin sistem üzerine doğrudan iş yapmamış olsa da, ölçümleri sayesinde bilgi edinmiş yani enformasyon kazanmıştır. Bu bilginin cinin belleğinden silinmesi iş gerektirir; o halde duruma toplamda bakılırsa net bir iş kazancı olmadığı söylenebilir.“Yaptığımız çalışma, enerji ile enformasyon arasındaki ilişkiyi incelemek için bir platform olarak fotoniğin nasıl kullanılabileceğini gösteriyor,” diyor ekipten Oscar Dahlsten.

Fotonik versiyonda fizikçiler, gaz dolu kutuların yerine iki ışık atımı kullandı. Deneyde, her atımdan gelen fotonların sayısını ölçebilen ve buna göre çok fotonlu parlak demeti bir yöne, az fotonlu sönük demeti öteki yöne yönlendirmek gibi bir işlem gerçekleştiren foto-algılayıcı kombinasyonu Maxwell’in cini rolünü oynadı. Farklı fotodiyotlara düşen farklı demetler, karşıt yönlerden kapasitöre giden bir elektrik akımı üretmiş oldu. Eğer atım enerjileri eşit olsaydı, akımlar birbirlerini etkisiz kılarlardı. Ancak atım enerjilerindeki dengesizlik ve sonuçta ortaya çıkan fotoelektrik yükteki dengesizlikten ötürü kapasitörün yüklenerek şarj olduğu saptandı.

Araştırmacılar bu deneyde mümkün olan en yüksek oranda işe dönüştürme yapmayı amaçlamamış olsalar da, bir gün bir tür Maxwell cininin pratik uygulamaları yapılabilir. “Çoğu zaman termodinamiğin beklediğinden daha fazla enformasyona erişebiliyoruz,” diyor Dahlsten, olayların normalde tamamen rastgele olmadığını ve bir dereceye kadar öngörülebilir olduğunu açıklayarak. “O zaman cin kullanarak, buradaki gibi işe dönüştürme yapabiliyoruz ve bu enformasyondan yararlanıyoruz. Benzer biçimde, fazladan enformasyon kullanarak işin bedelini de düşürebiliriz; örneğin sistemi soğutarak. Benim kişisel düşüncem, bu tür bir teknolojinin dünyanın enerji gereksinimin karşılanmasında büyük değişimler yaratabileceği,” diye ekliyor.

Fotonik uygulama ile Maxwell’in cininin daha önceki uygulamaları arasındaki farklara bağlı olarak, geleneksel kuramsal modeller işe dönüştürme ile ölçümden bilgi edinme arasında açık ve temelden bir bağ kurma yöntemi sunmuyordu. Bu nedenle araştırmacılar yeni düzeneğin zor fark edilebilir yanlarını hesaba katan yeni bir model türetti. Bu modelde işe dönüştürme ile ölçümden bilgi edinme birbiri ile ilişkilendiriliyor. Bilimciler yeni model sayesinde enformasyon ile termodinamik arası bağlantının daha iyi anlaşılabileceğini umuyor.