La Singularidad Desnuda

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El Demonio de Maxwell: nanogrúas impulsadas por láser

Posted by Carlos en febrero 2, 2007

Las Leyes de la Termodinámica constituyen probablemente el conjunto más universal de principios a los que podemos asirnos para entender el mundo. A grandes rasgos, estas leyes nos dicen que (1) la energía de un sistema aislado es constante, (2) la entropía de un sistema aislado sólo puede aumentar, y (3) la entropía de un sistema alcanza una constante cuando su temperatura llega al cero absoluto. Estas tres leyes (hay una cuarta, definida en realidad como Ley Cero, que define la transitividad en el equilibrio térmico) fueron magistralmente reformuladas por el poeta Allen Ginsberg como (1) no puedes ganar, (2) tampoco puedes empatar, y (3) no puedes salirte del juego.

James Clerk MaxwellA pesar de estar tan fuertemente consolidadas en nuestra compresión empírica del Cosmos, la violación de estos principios ha sido siempre el oscuro objeto del deseo de innumerables científicos e/o inventores. El anhelo de conseguir máquinas de movimiento perpetuo es precisamente uno de los caballos de batalla de los que las Leyes de la Termodinámica vienen dando cumplida cuenta desde el principio de los tiempos. No siempre son chiflados los que se plantean la violación de estas leyes sin embargo. Aunque sólo sea como experimento mental, es usual abordar escenarios en los que estos principios se violan. Uno de los mejores y más clásicos ejemplos lo proporcionó el físico escocés James Clerk Maxwell, en lo que se vino a llamar el Demonio de Maxwell. En su experimento mental, Maxwell imagino un recipiente en cuyo interior había algún tipo de gas. Las moléculas del gas se moverían a diferentes velocidades individuales, pero tendrían en conjunto una velocidad promedio que daría lugar a la correspondiente temperatura. Si trazáramos una pared divisoria por la mitad del recipiente, incluyendo un orificio en la misma, las moléculas fluirían entre ambas mitades, haciendo que se alcanzara rápidamente el equilibrio térmico. Imaginemos ahora un cierto individuo cuyas facultades le permiten discernir las velocidades de cada molécula, y que es capaz de abrir o cerrar la ventana de comunicación entre las dos mitades del recipiente a voluntad. Podría abrirlo sólo cuando una molécula de alta velocidad fuera de, por ejemplo, la mitad izquierda a la mitad derecha, o una de baja velocidad fuera en sentido contrario. Al actuar así, rápidamente las moléculas de alta velocidad se acumularían en la mitad derecha, causando una rotura del equilibrio térmico, sin aparente uso de energía externa. Se estaría entonces violando la Segunda Ley de la Termodinámica, ya que la entropía del sistema habría descendido.

Como en todas las paradojas, hay que buscar la explicación en las suposiciones implícitas, en este caso que la apertura y cierre de la compuerta no consume energía externa, y que el propio proceso de observación y determinación de qué molécula debe dejarse pasar o no es también gratuito en términos energéticos. Parece claro que no es así, y que por lo tanto no se llega a violar nuestra apreciada Segunda Ley. En cualquier caso, este experimento mental ha servido de inspiración a muchos, y concretamente a un grupo de investigadores de la Universidad de Edimburgo, liderados por el Profesor David Leigh, que acaban de publicar en Nature un trabajo titulado:

En este trabajo describen como un nanodispositivo de su invención puede emplear una fuente de energía externa (luz coherente en este caso) para controlar el movimiento de un anillo molecular dentro de un rotaxano. Básicamente lo que se consigue es definir una especie de anzuelo selectivo, que atrapa a las moléculas que se mueven en una cierta dirección.

Rotaxane (Maxwell’s demon)
Credit: Serreli et al. – (c) Nature Publishing Group

Las aplicaciones son inmensas desde el punto de vista nanotecnológico. Por ejemplo, en un futuro próximo mediante un puntero láser podremos ordenar a un enjambre de nanomáquinas que empujen un objeto en la dirección que deseemos. Se acabó tener que esperar un rato a que venga la grúa cuando se nos estropee el coche.

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6 comentarios to “El Demonio de Maxwell: nanogrúas impulsadas por láser”

  1. Juanlu said

    De niño tuve una discusión con un amigo en la que le planteaba que si dejabas pasar un haz de luz al interior de un cubo compuesto de espejos (me imaginaba una linterna pasando suficiente luz por una de las caras que debía ser un espejo “semiopaco”), podías retener la luz dentro, irte a una habitación oscura, abrir el artefacto y ver como se iluminaba todo por un breve espacio de tiempo. Es curioso como la imaginación de un niño transgrede las leyes de la física al no conocerlas y como la de un científico que las conoce intenta “superarlas”. ¿Es que los científicos no pierden el espíritu de la niñez?. Ya no se me ocurren esas genialidades, será que me estoy haciendo mayor 😥

  2. Carlos said

    La mente de un niño es fantástica, mucho mas libre para imaginar experimentos mentales como el que describres, al no estar sujeta a esquemas rígidos sobre como debe comportarse la naturaleza. Imagino que en la medida en la que un científico aborde un área menos conocida, le será más factible especular de esa manera. Probablemente sea ya muy complicado en cualquier caso dar con experimentos mentales que afecten a cosas tan esenciales como los que idearon Maxwell o Einstein entre otros.

  3. karlos said

    que bonita anecdota Juanlu , me hizo esbozar ua sonrisa, pero cuando me di cuenta de que no me podia dar una explicación de porque no se puede atrapar la luz se me boorró y quede sorprendido… alguien que lo pudiera explicar porfavor

  4. La luz,al chocar contra las paredes del objeto en el que està “contenida” se convierte en energìa cinètica y calor con lo cual deja de existir como luz para convertirse en otras formas de energìa.Puedes dirigir un haz de luz a travès de un cable de fibra òptica porque este se comporta como un espejo en el que la luz rebota en zig-zag de extremo a extremo.Creo que mi respuesta es correcta pero no soy fìsico,lo siento.

  5. chema said

    lo del cubo , es básicamente un cuerpo negro .
    la luz es energía ,al recibir energía, luz, y quedarse la, se calentaría hasta que los “espejos” la dejasen salir en forma de luz de otro color.

    O eso decía mi profesor sobre la radiación del cuerpo negro.

  6. Edmundo said

    Es cierto, la mente de un niño vuela mucho… y algun dia pense lo mismo de meter un laser dentro de paredes hechas de espejos, solo que no imaginaba mas haya. Un saludo a to2

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