Odpovědi na proč a jak funguje vesmír. Psáno pro Tima, mého syna, ale určitě si to rádi přečtou i jiní.

Drahý Time,

vím, že Ti pokazím Tvůj sen, ale perpetuum mobile opravdu vyrobit nejde. Fyzika je proti tomu, konkrétně zákon zachování energie. Nejde vyrobit systém, ze kterého bys jenom čerpal energii. Vsuvka - možná se to pokusí Europarlament zvrátit novelizací přírodních zákonů, protože jinak Green Deal fungovat nebude, ale do té doby perpetuum nepostavíme a ani po té novelizaci to nepůjde.

Co umíme, jsou různé systémy, kde se jedna energie přeměňuje na druhou, nebo měníme hmotu na energii, případně čerpáme energii z minulosti. Klasický případ tohoto čerpání je spalování fosilních paliv, nebo použití baterie.

Existují systémy, které se zdánlivě do nekonečna pohybují. To neporušuje žádný fyzikální zákon, každý uzavřený systém, který energii nepřijímá a ani nevyzařuje si může žít vlastním životem. Na Zemi nám to komplikuje gravitace, ale na webu najdeš spoustu zařízení, které se budou točit nebo jinak pohybovat hodně dlouho. Další, co nám to komplikuje, je tření, které převádí energii na teplo. I kdybys třeba ve vesmíru, daleko od všech hvězd, roztočil setrvačník, tak se nebude točit navěky. Prolétající kosmické záření ho dříve nebo později zastaví, Ono když si to vezmeš do důsledku, i naše Sluneční soustava je takový velký setrvačník, který se roztočil na začátku a točí se dodnes. Ostatně Newtonův první zákon říká:

„Těleso setrvává v klidu nebo v rovnoměrném přímočarém pohybu, dokud není nuceno vnějšími silami (někdy zde bývá udáváno působením jiného tělesa) svůj stav změnit.“

To ale není perpetuum mobile, to je setrvačnost nebo moment setrvačnosti, když ze systému začneš energii čerpat, rychle se to přestane hýbat nebo točit.

Termodynamika - zákony nebo doporučení

Ale abych nebyl dnes jenom tak strohý, existuje jedna cesta k něčemu jako perpetuum mobile. Obvykle termodynamika funguje tak, že teplejší těleso ohřívá to chladnější, když máš zmrzlé ruce, nejdeš s nimi do ledničky, ale sedneš si ke krbu. Kdyby to šlo, jednalo by se o perpetuum mobile druhého typu. Tak to známe z každodenní praxe, ale ukazuje se, že to nebude úplně přírodní zákon, že existují cesty, jak to obejít. Ale abys to pochopil, musíme se vrátit trochu do minulosti a věnovat se pojmu entropie.

S tímto pojmem poprvé vyrukoval fyzik Ludwig Bolztman v roce 1887. V jeho době se hodně experimentovalo s různými druhy pohonu kde čeho a poměrně zoufale se hledal způsob, jak by šlo vyjádřit, který způsob je účinnější a to nejlépe dopředu, na základě teoretických výzkumů.

Vývoj tehdy probíhal prakticky výhradně metodou slepých uliček. Tedy tak, že si někdo něco nějak postavil, když to fungovalo, tak byl slavný a vydělal na tom (jako například Nikola Tesla, Thomas Alva Edison, nebo pánové Daymler a Benz). Pokud to ale po zapojení vybuchlo, v lepším případě jenom shořelo, anebo to neudělalo vůbec nic, byl daný postup prohlášen za slepou uličku (jak jistě všichni víme, pravým pionýrem slepých uliček byl Jára Cimrman).

Pro Bolztmana tedy byla entropie, kromě jiného, prostředkem, jak vyjádřit účinnost přenosu tepla. Tak například odvodil, že mnohem více využitelné energie (a tím i práce) získáme spalováním uhlí než chlazením ledu. Jistě, danou věc každý věděl i předtím bez počítání entropie, ale teď si mohli být jisti, že to vědí vědecky správně. Celému tomu hemžení kolem tepla a jeho přenosu se potom začalo říkat termodynamika.

Tři zákony termodynamiky
Fyzikové tehdy získali další píseček, na kterém si mohli hrát a první, co obvykle v takovém případě udělají, je vymezení. To aby se přesně vědělo, kde jejich písek končí a nelezli jim tam ostatní fyzikové se svými teoriemi. A hned také zformulují pravidla hry na pískovišti, bez toho by si tam totiž mohl dělat kdo chce co chce a nebylo by to jak kontrolovat.

Proto praotcové fyzici slavně ustanovili tři zákony termodynamiky, platné pro uzavřený systém:

Zachování energie - jednotlivé druhy energie se mohou měnit, ale její celek nestoupne ani neklesne.

Míra neuspořádanosti uzavřeného systému s časem neklesá.

Uspořádanost látky při absolutní nule je absolutně nulová a tím se vymyká působení z okolí, takže dneska raději říkáme, že žádnou látku nelze vychladit na teplotu absolutní nuly.

Hotovo, podtrženo, sečteno - jenom to publikovali moc brzo, Nobelovky se začaly udělovat až po roce 1900, takže o ni přišli.

Otázka je, jaké to má praktické důsledky pro nás? Díky tomu, že náš vesmír je sice nekonečný, ale uzavřený, vztahují se na nás tyto zákony globálně.

Co Vám ve škole nejspíše neřeknou
Nejspíše to, že termodynamika má místo zákonů jenom shrnutí nejčastěji pozorovaných jevů. To proto, že termodynamika je ze své podstaty tzv. statistická fyzika. Díky tomu entropie každého uzavřeného systému s časem skoro vždy utěšeně narůstá, až na výjimky.

Převedeno do každodenní zkušenosti - skoro nikdy nebude Tvůj pokojík když se ráno probudíš lépe uklizený než ve stavu, v jakém večer při tvém usnutí zůstal. Skoro nikdy, kdybys měl k dispozici neomezený počet probuzení, tak jednou bys měl ráno perfektně uklizeno. To nebude případ, že mamce došla trpělivost a uklidila Ti, zatímco jsi spal, ale opravdový jev samouklizení. I když tomu nevěříš, je to možné, nezapomínej, všechno je to jenom statistika.

Bohužel maminka si ze školy odnesla, že termodynamické zákony jsou zákony. Takže když jí tvrdím, že stačí počkat dostatečně dlouho a uklidí se to samo, tak mi nevěří. Nic na tom nedokáže změnit ani názorná prezentace s hrací kostkou a padnutím šestky po několika pokusech, pokaždé musíme snižovat entropii přidáním další práce a tím i energie do systému, říká se tomu úklid.

Jsem démon, Maxwellův démon
Ve fyzice ale platí, že každou hypotézu nebo teorii je potřeba testovat. K tomu slouží experimenty a někdy i myšlenkové. Jedním z takových je myšlenkový pokus Jamese Clerka Maxwella, slavného hlavně díky svým rovnicím, které daly řád pískovišti elektromagnetické fyziky.

Přestože to byl fyzik, vyvolal z říše nebytí prazvláštní bytost, démona, který po právu dostal jeho jméno, aby s jeho pomocí zničil termodynamické zákony. Šotek dostal za úkol hlídat vrátka mezi dvěma nádobami s plynem o odlišné teplotě. Skrz ně směly projít jenom ty správné molekuly. Jak jistě víš, Time, teplota plynu je statistická hodnota, průměr z kinetických energií jednotlivých molekul plynu, některé ji mohou mít vyšší, jiné nižší.

Je to poměrně nefér, ale velmi účinný fígl jak zajistit, aby se teplejší nádoba nadále ohřívala od té studenější. Teplota totiž ovlivňuje rychlost molekul plynu a tím i jejich energii a protože se jedná o jev statistický, skoro každá malá částečka plynu má jinou energii. Některá ji má vyšší, než odpovídá dané teplotě, jiná zase nižší, ale většina se to víceméně motá kolem stavu, který by měla mít.

Takže Maxwellův skřítek vrátný vpouštěl do teplé nádoby jenom ty molekuly z chladné části, které měly alespoň stejnou teplotu jako plyn v teplejší měly nádobě. Tím molekuly třídil a tak, vědecky řečeno, snižoval celkovou entropii systému bez přidání práce zvenčí - přesný opak úklidu bytu. To už vypadá jako perpetuum mobile druhého typu.

Výroba a vymítání démona
Umět vyrobit stroj, který funguje jako Maxwellův plivník, je snem celé řady vynálezců. Bohužel ti, kteří „uspějí“, se dočkají ovací pouze úzkého kolegia v bílých pláštích chovanců blázince. To proto, že na makroskopické úrovni se statistika velmi účinně postará, aby se svět choval normálně.

Na internetu najdeš různé varianty těchto zařízení, ať už se jedná o malá dvířka s patřičně dimenzovanou pružinou či různé varianty téhož - rád bych doporučil Feynmanův návrh lopatek na kolečku s rohatkou, zdvihající závaží.

Asi nejblíže měl k cíli pan Szilárd. Ten pracoval s válcem a písty, a aby to měl jednodušší, pouze s jednou molekulou látky uvnitř válce. Válec rozdělil přepážkou na dvě poloviny. Na začátku si zjistil, kde je ta molekula a z druhé strany zasunul píst. Práce se nevykoná, neboť není nic, co by zasunutí pístu bránilo, molekula je v druhé části válce, tření zanedbáme. Když potom přepážku vyndáme, začne se molekula potloukat po celém válci a soustavně naráží i na ten píst, který vysouvá ven.

Aby si udržela svoji teplotu a tím i celkovou energii uvnitř válce, bere si teplo ze stěn válce a tak jej ochlazuje. Tím převádí teplo na energii pohybu pístu. V tom okamžiku pan Szilárd poznal, že je v průšvihu a živě si představil, co jej čeká. Proto rychle svůj myšlenkový pokus uzavřel tvrzením, že nějak musíme zjistit, kde je ta molekula a právě toto měření zvýší entropii celé soustavy - ono v roce 1924 nebyly blázince žádný med. Pro nás je důležité, že podle pana Szilárda musíme toho Maxwellova pidižvíka a práci, kterou odvádí při měření energie atomů zahrnout celkové energie systému.

Ale o pár desítek let později, konkrétně na konci 80. let minulého století, kdy už případný pobyt v blázinci nebyl tak dehonestující, přišel pan Bennet s nápadem jak Szilárdův stroj vylepšit.

V podstatě na to pustil počítač, který místo měření systém mechanicky ovládá, přepne přepážku, posune píst. Ve výsledku tu máme perpetuum mobile. Jenomže proti tomu se postavil jiný vědec, pan Landauer. Jak jistě tušíš, problém je v tom počítači, protože si musí pamatovat, jaký stav nastal a co má dělat. A žádná paměť není nekonečně velká, dříve nebo později ji musíme vyprázdnit a znovu začít plnit. A právě tahle energie nám nakonec zvýší entropii systému.

Takže druhý zákon můžeme zvesela porušovat jenom než nám dojde volná paměť. Což je mimochodem velká tragédie programátorova života, paměť počítači dojde obvykle v tom nejméně vhodném okamžiku. Ale druhý termodynamický zákon je zachráněn, Maxwellův démon se odebral do hlubin podsvětí.

Přichází nanodémon
Landauerově pravidlu se taky říká Landauerova mez. Tak může být velikost energie, potřebné na vymazání uchované informace, jedním z měřítek efektivity současných počítačů. V podstatě se dá říci, že to co potřebujete na zápis do paměti, potřebujete i na její vymazání. Tohle pravidlo platí už od dob tesání do kamene.

Jenomže jak postupuje miniaturizace, zase se nám dostává do hry kvantum. Pánové Dillenschneider a Lutz provedli počítačovou simulaci paměťového média, složené z nanočástic a zjistili u něj, že díky teplotním výchylkám potřebuje pro mazání zapsané informace méně energie, než to stanovuje Landauerovo pravidlo. Teď jenom zbývá počkat, až dané zařízení postaví a jev ověří v praxi.

Pro fyziku z toho zatím ale neplyne nic, kromě toho, že v ní bude i nadále strašit byť velmi, velmi malý, ale přece jenom přítomný pidižvík páně Maxwella. A též kromě toho, že by se mělo správně říkat:

„Je vysoce pravděpodobné, že celková entropie uzavřeného systému s časem narůstá.“

A my ostatní budeme muset i nadále uklízet, dokud se nám nepodaří se přenést na kvantovou úroveň, kde je přece jenom vyšší pravděpodobnost, že se nám ten nanopokojík jednou prostě uklidí sám. Smůla ...

Ale slibuji, že zkusím maminku přimluvit, aby neříkala, že jsi bordelář, když trpíš chronickou entropičností.