Thermodynamik

Fundamentales Gesetz ist brüchig

Von Martin Paetsch

Ein Fundament der Physik, der zweite Satz der Thermodynamik, bricht in mikroskopischen Welten zusammen: Dort spielt die Natur mitunter verrückt, wie australische Forscher gezeigt haben.

GMS

Heißer Kaffee: Normalerweise wächst die Unordnung

Der zweite Satz der Thermodynamik ist eines der grundlegendsten physikalischen Gesetze - doch auf mikroskopischer Ebene kann es durchaus verletzt werden. In der Welt der Zellen und künftiger Nanomaschinen fließt Energie auch in die falsche Richtung, wie ein australisches Forscherteam jetzt bewiesen hat. Die Entdeckung zeigt den Ingenieuren Grenzen auf für die Entwicklung winziger Motoren und Geräte.

Während der erste Hauptsatz der Thermodynamik die Erhaltung der Energie festschreibt, hat das zweite Gesetz die Ordnung im Universum zum Thema - oder besser ihr Gegenteil. Denn in geschlossenen Systemen, so die Regel, wächst die Unordnung mit der Zeit, bestenfalls bleibt sie konstant. Als Konsequenz daraus nimmt etwa eine heiße Tasse Kaffee keine Energie von der umgebenden kühlen Luft auf, sondern gibt selbst Wärme ab.

Allerdings ist das zweite thermodynamische Gesetz im Grunde ein statistischer Satz, der das Verhalten von vielen Milliarden Teilchen beschreibt: den Atomen und Molekülen, aus denen sich die Stoffe zusammensetzen. In kleineren Maßstäben, wo es um sehr viel weniger Partikel geht, geschehen dagegen Dinge, die in größeren Systemen praktisch unmöglich sind - das Gesetz wird gebrochen.

Den Nachweis dafür brachten die Wissenschaftler um Denis Evans von der Australian National University in Canberra mit ihrem Experiment. Die Forscher, die ihre Ergebnisse in den "Physical Review Letters" vorstellen, hatten ein wenige Mikrometer großes Kügelchen aus Latex mit Hilfe von Laserstrahlen fixiert und immer wieder mit konstanter Geschwindigkeit durch Wasser gezogen. Dabei wurde ständig die genaue Position des Objekts gemessen.

Anhand dieser Daten konnte das Team errechnen, wie sich die Unordnung des Systems - Physiker sprechen von seiner Entropie - veränderte. Tatsächlich registrierten sie in Zeitabschnitten von einigen Zehntelsekunden etwas, das dem Gesetz zufolge nicht sein dürfte: eine Abnahme der Entropie. Die Kugel hatte zusätzliche Energie aus den zufälligen Bewegungen der Wassermoleküle gewonnen. Eine solche Umwandlung in nützliche Arbeit ist nach dem zweiten thermodynamischen Satz eigentlich verboten, genauso wie heißer Kaffee, der von kühler Luft noch weiter erwärmt wird.

Während einer sehr kurzen Zeitspanne, so die Beobachtung der Forscher, war die Regelverletzung - dass nämlich das Kügelchen Energie vom Wasser aufnahm, statt selbst welche abzugeben - fast ebenso wahrscheinlich wie ihre Einhaltung. Wurde die Latexperle dagegen länger als zwei Sekunden bewegt, dann triumphierte über die Gesamtdauer betrachtet wieder das zweite thermodynamische Gesetz.

Mit ihrem Versuch konnten die Wissenschaftler experimentell das so genannte Fluktuationstheorem bestätigen. Nach dieser 1993 von Evans und Kollegen aufgestellten Beziehung ist die Wahrscheinlichkeit einer Verletzung des Gesetzes umso größer, je kleiner das beobachtete System und je kürzer die Zeitspanne ist. Das Theorem soll den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik mit den Gleichungen der klassischen Mechanik und der Quantenmechanik vereinen, die zeitlich umkehrbar sind.

Die Gültigkeit des zweiten thermodynamischen Gesetzes in der makroskopischen Welt lassen die Versuche zwar unberührt. Nanoingenieure könnten jedoch irgendwann an eine Grenze der Miniaturisierung stoßen. Winzige Maschinen verhalten sich, so die Schlussfolgerung der Forscher, nicht wie große: Je kleiner ein Motor ist, desto größer ist die Gefahr, dass er während des Betriebs für einen Moment in entgegengesetzter Richtung läuft.

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