W periodykach naukowych dla mas funkcjonuje takie pojęcie jak Demon Laplace’a. To taka abstrakcyjna istota, którą dysponuje kompletną wiedzą o położeniu wszystkich cząstek elementarnych Wszechświata oraz wszystkich siłach działających na nie. Dla większości osób mających jakąś styczność z fizyką jest zrozumiałe, że istnienie takiej istoty wyklucza całkowicie zasada nieoznaczoności, ale ten eksperyment myślowy okazał się bardzo płodny kulturowo – stał się reprezentantem dla filozofii determinizmu i fatalizmu. Fizyka kwantowa popsuła zabawę podważając teoretycznie przekonanie greckich filozofów oraz ich naśladowców, w którym los każdego z nas był z góry zapisany. Zgodnie z wiedzą fizyków kwantowych poznanie stanu cząstki jest niemożliwe, w związku z czym nie da się przewidzieć jej stanu w późniejszym stanie. Ale to nie jest koniec demonologii w fizyce, bo jest jeszcze Demon Maxwella i ten.. ten jegomość jak się okazało jest już jak najbardziej realny.
Żeby zrozumieć czym ten Demon Maxwella jest trzeba wyobrazić sobie duży zbiornik. Cząsteczki w naczyniu pełnym powietrza w stałej temperaturze poruszają się z najróżniejszymi prędkościami, jednak średnia prędkość losowo wybranej ich liczby jest niemal zawsze jednakowa. No tak to się jakoś wyrównuje. Jeżeli to naczynie podzieliłoby się na dwie części A i B przegrodą, w której znajdowałbym się mały otwór i wspomniany demon przepuszczałby przez nią tylko szybsze cząsteczki z A do B i tylko wolniejsze z B do A to będzie ona bez wydatkowania pracy zwiększała temperaturę B i zmniejszała A robiąc to w sprzeczności z drugim prawem termodynamiki. Bez wspomnianego demona żaden układ termodynamicznie izolowany nie może zmniejszać swojej entropii – tak przynajmniej wynika z równań fizycznych i wszyscy się tego trzymali.
Od 1867r, w którym Maxwell opisał powyższego demona, cała masa fizyków głowiła się na tym jak wspomnianego powołać do życia. Finał tych ponad 100 letnich zmagań teoretycznych doprowadził do tego, że niejaki Charles H. Bennett obronił koncepcję jednego ze swoich prekursorów z poprzedniej epoki (nota bene Węgra, który z radością projektował dla amerykanów bomby atomowe), stosując do niej teorię informacji. Od tego punktu była już prosta droga do tego, że w 2013 roku udowodniono istnienie demona Maxwella. Ten okazał się… kropką kwantową, czyli takim obszarem ograniczonym w trzech wymiarach barierami potencjału, w którym uwięziono cząstkę o długości fali porównywalnej z rozmiarami kropki. Mówi się czasami o kwazizerowymiarowych kropkach kwantowych (gdzie np. studnie kwantowe, od których naukowcy dotarli do kropek, to struktury dwuwymiarowe).
Po co nam to? Wszyscy myśleli, że dzięki temu powstaną nowe urządzenia elektroniczne, ale tu się myliła cała masa wizjonerów i futurologów. Kropki kwantowe, ze względu na niezwykłe właściwości wynikające z rozmiarów nanometrowych, są znacznie bardziej stabilnymi i precyzyjnymi znacznikami, niż stosowane dotychczas w diagnostyce medycznej barwniki organiczne. Ponadto, gdy stosuje się kropki kwantowe, testy biologiczne na obecność lub aktywność poszukiwanych substancji są znacznie szybsze, czulsze i elastyczniejsze. Kropki kwantowe mogą służyć do optycznego rozpoznawania składu genetycznego badanej próbki poprzez wytworzenie widmowych kodów paskowych. Lepsze testy genetyczne będą pomocne na przykład w wykryciu choroby we wczesnym stadium, kiedy znacznie łatwiej można ją wyleczyć. Możliwości zastosowań kropek kwantowych w medycynie nie kończą się na widmowych kodach paskowych czy nanoznacznikach. W laboratoriach Uniwersytetu Kalifornijskiego w Davis trwają ponoć badania nad możliwością śledzenia wędrówki wirusa w organizmie za ich pomocą. Oświetlone promieniowaniem o określonej długości fali kropki kwantowe, złożone z m.in. z atomów złota lub krzemu, emitują wyraźne światło umożliwiające prześledzenie położenia (bądź trasy wędrówki) cząsteczek wirusa we wnętrzu żywej tkanki. Badania te są szczególnie istotne w badaniach wirusa HIV. Ponadto kropki kwantowe mogą służyć jako doręczyciele mikroskopijnych porcji leków do chorych komórek, co ograniczy skutki uboczne chemioterapii. Prawdziwy przełom jest jednak dopiero przed medycyną, bo dzięki nim najprawdopodobniej powstaną skuteczne nanourządzenia dostarczające porcje leków bezpośrednio do komórek dotkniętych chorobą i, co równie ważne, pokonujących bariery nieprzekraczalne przy wykorzystaniu dotychczasowych metod leczenia. Kropki kwantowe umieszczone w otoczce proteinowej należą także do nowej, intensywnie rozwijanej klasy urządzeń określanych skrótem bioMEMS. To w większości urządzenia, które mają naprawić coś, co się nam popsuło. Od prozaicznych (już) rzeczy jak rozruszniki serca, pompy insulinowe na sztucznych oczach kończąc. A wszystko z powodu odkrycia, że wizja gościa z XIXw w postaci rogatego stworka porządkującego cząsteczki o różnych prędkościach pomiędzy częściami zbiornika, okazała się realna. W temacie bioMEMS polecam zresztą obejrzenie jakiś filmów w tym temacie – to nad czym pracują naukowcy pod tym kryptonimem to czyste science fiction.
James Clerk Maxwell, którego nienawidziłem przez lata nauki za równania Maxwella, rozkład Maxwella oraz trójkąt Maxwella, pewnie nie miałby zielonego pojęcia o czym dziś piszę, bo mechanika kwantowa powstała z 50 lat po jego śmierci. Czułby się zapewne tak, jak ja, gdyby ktoś kazał mi lata temu wyjaśnić którąkolwiek z jego teorii (wszystkie trzy zresztą wypierałem skutecznie z pamięci po opanowaniu podstaw i do dziś się w nich potrafię zagubić). Nie mniej – najbardziej fatalnie musiałby się czuć medyk, który musiałby wytłumaczyć mi (lub co gorsza J.C Maxwellowi) co robi ta nowa klasa znaczników, które wpuszcza nam do krwi i o co chodzi z tą kropką kwantową. Czasami zadziwiające jest dla mnie to jak z tej wspólnej dla nas wszystkich niewiedzy wyłaniają się odkrycia zmieniające cały świat oraz to, że jest ktoś, kto ogarnia więcej niż swoją kuwetę potrafiąc powiązać potrzeby medycyny z odkryciami fizyków zajmujących się kwazizerowymiarowymi obiektami.
Ps. Nie wiem jak ty, ale mi nie dawało spokoju pytanie po kiego grzyba Ci wszyscy fizycy od XIXw głowili się nad jakąś teoretyczną istotą wymyśloną przez gościa w czasach maszyny parowej. Wiesz już dlaczego? Wkoło nas jest cała masa istot, które są zdolne do samoorganizacji, pozornie przeczącej II zasadzie termodynamiki – to właściwie wszystkie istoty żywe, które (choć jako zjawiska nigdy nie zachodzą w układach izolowanych termodynamicznie), możliwość samoorganizacji czerpią zawsze ze wzrostu entropii otoczenia. Istoty żywe porządkują się wewnętrznie kosztem wzrostu entropii otoczenia w postaci np. przetwarzania żywności w odchody. Największym wyzwaniem dla fizyków było (i zresztą nadal jest) wyobrażenie sobie, jak Demon Maxwella mógłby działać w nieskończoność. Nasze istnienie z tego punktu widzenia i ku radości ekologów jest na szczęście ograniczone w czasie.
social media:
