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Physik Journal 15 (2016) Nr. 3
© 2016 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim
Gedächtnis des Dämons endlich,
kommt es am Ende zu einem Über-
fluss an angesammelter Informati-
on über die Geschwindigkeit jedes
Teilchens. Dann muss der Dämon
seinen Speicher löschen, um kon-
tinuierlich weiterarbeiten zu kön-
nen – eine Aktion, für die er Arbeit
aufwenden muss. Diese Arbeit ist
mindestens so groß wie die Wärme,
die man aus dem Sortiervorgang
gewinnt. In diesem Sinne ist der
zweite Hauptsatz wieder vollstän-
dig gültig. ImWesentlichen sagt
Landauers Prinzip aus, dass Infor-
mation eine physikalische Größe ist
[5]
. Unklar bleibt aber, wer oder was
den Speicher überschreibt. Ist dazu
ein weiterer Dämon erforderlich?
Forscher haben diese konzepti-
onellen Rätsel kürzlich wieder auf-
gegriffen und autonome Systeme,
also in sich geschlossene Einheiten,
vorgeschlagen
[2, 6, 7]
. Schon vor
80 Jahren fand Leo Szilard den
Gedanken an eine metaphysische,
menschenähnliche Gestalt, die den
Maxwellschen Dämon betreibt,
unangenehm. Seiner Meinung nach
sollte es möglich sein, ein mecha-
nisches System zu finden, das wie
ein Maxwellscher Dämon funktio-
niert, aber den Gesetzen der Physik
gehorcht
[8]
. In den letzten Jahren
hat diese Idee viel Aufmerksamkeit
erregt und zu einer Reihe theore-
tischer Modelle geführt
[9, 10]
.
sentlichen, dass die Entropie des
Universums niemals abnimmt. Da
diese sehr allgemeine Aussage nur
schwerlich auf spezielle Situationen
anwendbar ist, gibt es verschiedene
andere Formulierungen. Dazu
gehören die von Clausius, dass
sich Wärme nicht von kalten zu
warmen Regionen transportieren
lässt, ohne Arbeit zu verrichten,
oder die Aussage von Carnot, dass
der maximale Wirkungsgrad einer
Wärmemaschine durch den Car-
not-Wirkungsgrad gegeben ist
[2]
.
Jetzt stellt sich die Frage, ob diese
Aussagen nur das mittlere Verhal-
ten eines Systems beschreiben, des-
sen Eigenschaften vom Verhalten
vieler Teilchen abhängen, oder ob
diese Aussagen auch auf einzelne
Teilchen anwendbar sind. Um diese
Frage zu klären, schlug Maxwell
1867 sein Gedankenexperiment vor,
das die Formulierung von Clausius
verletzt
[3]
.
Maxwells Dämon war sofort
eine Quelle der Faszination und
führte zu vielen wichtigen Ergeb-
nissen, darunter die Entwicklung
der thermodynamischen Theorie
der Information. In den 1960er-
Jahren erkannte der IBM-Forscher
Rolf Landauer, dass die zusätzliche
Arbeit, die aus der Tätigkeit des
Dämons erwächst, auf Kosten der
Umgebung des gesamten Systems
aus Gas und Dämon geht
[4]
. Ist das
I
n der Frühzeit der Thermo-
dynamik sorgten die Formulie-
rungen des zweiten Hauptsatzes für
einiges Kopfzerbrechen. Denn es
war nicht ganz klar, ob diese allge-
meingültig sind oder ob sich physi-
kalische Systeme finden ließen, die
den zweiten Hauptsatz verletzen.
Um dieses Problem genauer zu ver-
stehen, ersann James Clerk Maxwell
ein Gedankenexperiment, das Lord
Kelvin später den „Maxwellschen
Dämon“ taufte – ein Name, der sich
bis heute gehalten hat. Maxwell
betrachtete zwei Behälter mit einem
gasförmigen Teilchengemisch,
die durch eine Wand voneinander
getrennt sind. Ein „geschicktes We-
sen“, das die Geschwindigkeit jedes
Teilchens bestimmen kann, sitzt
an einer kleinen Tür in der Wand
und sortiert die Teilchen, indem es
die Tür so öffnet und schließt, dass
schnelle Teilchen nur auf die eine
Seite gelangen, langsame nur auf
die andere. Dieser Sortiervorgang
transportiert Wärme von einem
kalten in ein heißes Reservoir.
Auf den ersten Blick scheint die-
ses Gedankenexperiment den zwei-
ten Hauptsatz der Thermodynamik
zu verletzen. Aber dieses Paradoxon
löst sich auf, wenn man realisiert,
dass Arbeit am Dämon zu verrich-
ten ist, damit dieser seine Aufgabe
erfüllen kann. Zwangsläufig führt
eine solche Deutung ein weiteres,
nicht notwendigerweise physika-
lisches System ein, das die Arbeit
am Dämon verrichtet. Gerade des-
wegen kann eine solche Erklärung
nicht befriedigen. Jukka Pekola und
seine Kollegen der Aalto University
in Finnland haben nun eine Nano-
apparatur gebaut, die äquivalent zu
einem Maxwellschen Dämon ist
(
Abb. 1
), deren Funktion aber nicht
durch externe Kontrolle getrieben
wird
[1]
. Diese Apparatur ist damit
vollständig in sich geschlossen und
die erste Realisierung bisher rein
theoretischer Modelle eines auto-
nomen Dämons.
Der zweite Hauptsatz der
Thermodynamik besagt imWe-
■
Den Maxwellschen Dämon bannen
Mit Hilfe supraleitender Elektronik ist nun der 100 Jahre alte Traum
eines autonomen Maxwellschen Dämons Realität geworden.
1.
2.
3.
4.
a b
Abb. 1
Beim autonomen Maxwellschen
Dämon besteht das „System“ aus einer
Zelle mit einem Elektron, die mit einem
externen Potential verbunden ist. Der
Dämon überwacht die Ladung in der
Zelle. Wenn ein Elektron (blau) eintritt,
fängt der Dämon es unverzüglich durch
das Anlegen einer positiven Ladung ein
(a). Wenn ein Elektron die Zelle verlässt,
stößt es der Dämon durch eine negative
Ladung ab (b). Dabei handelt es sich um
das elektronische Äquivalent zum Öff-
nen und Schließen der Tür in Maxwells
Gedankenexperiment.
aus [1]
Dr. Sebastian Deff-
ner
, Theoretical Divi-
sion and Center for
Nonlinear Studies,
Los Alamos National
Laboratory, Los Ala-
mos, NM 87545, USA