Perpetua mobilia machen immer wieder Spaß. Klar, sie funktionieren nicht, aber herauszufinden, warum sie nicht funktionieren, ist oft eine nette physikalische Knobelaufgabe. Beim Recherchieren des Maxwellschen Dämons bin ich über ein besonders hübsches gestolpert, das ich euch nicht vorenthalten will.
Dieses Perpetuum Mobile stammt von Bondi, das Bild ist aus dem Artikel von Maruyama (Quelle siehe unten). Man hat ein senkrecht angeordnetes Förderband, auf dem lauter Atome angeordnet sind. Die Atome haben einen Grundzustand (blau) und einen angeregten Zustand mit höherer Energie (rot).
Sobald ein Atom unten ankommt, fällt es in den Grundzustand und sendet ein Photon aus. Dieses wird durch die Spiegel nach oben reflektiert und vom dort sitzenden Atom wieder absorbiert. Dadurch sind immer rechts angeregte Atome, links immer unangeregte.
Weil die angeregten Atome eine höhere Energie haben, haben sie nach E=mc2 auch eine höhere Masse. Sie ziehen also das Förderband nach unten, das Förderband ist immer rechts schwerer als links, dreht sich also ständig im Uhrzeigersinn. Je nach Größe des Übergewichts können wir damit einen kleinen Motor antreiben.
Und warum geht das nicht? Falls Ihr selbst knobeln wollt, hier ein Bild von Maxwell (wegen des Dämons) als Spoiler-Space, bevor ich einen Lösungstipp gebe:
Von digitized from an engraving by G. J. Stodart from a photograph by Fergus of Greenock – The Life of James Clerk Maxwell, by Lewis Campbell and William Garnett (see [1]), Gemeinfrei, Link
So, genug gegrübelt oder ihr braucht einen kleinen Tipp? Das Problem ist nicht (wie man leicht denken könnte) die Frage, wie man die Atome dazu bekommt, im richtigen Moment Licht auszusenden. Das Problem ist das Photon selbst.
Hier noch ein bisschen Platz zum Grübeln, diesmal mit Sadi Carnot, der ja den Carnot-Prozess entdeckt und damit viel zur Thermodynamik beigetragen hat:
Von Louis-Léopold Boilly – https://www-history.mcs.st-and.ac.uk/history/PictDisplay/Carnot_Sadi.html, Gemeinfrei, Link
Falls ihr noch einen Tipp braucht: Denkt an die Relativitätstheorie. Was passiert mit Photonen in einem Schwerefeld?
Die Bedenkzeit überbrücken wir mit einem Bild von Julius Robert Mayer, der den Satz von der Energieerhaltung als erster formulierte (alle Bilder übrigens von Wikipedia):
Von Friedrich Berrer (* 1839) – https://clendening.kumc.edu/dc/, Gemeinfrei, Link
Und nun die Auflösung: Ein Photon, das gegen ein Schwerefeld anarbeiten muss, verliert dabei Energie und wird deshalb rotverschoben. Durch die Rotverschiebung reicht seine Energie oben nicht mehr ganz, um das Atom anzuregen. Eigentlich eine ziemlich einfache Antwort, wenn einem der Zusammenhang zur Allgemeinen Relativitätstheorie einfällt.
Ich finde dieses Perpetuum Mobile deshalb so hübsch, weil es einen Zusammenhang zwischen spezieller und allgemeiner Relativitätstheorie aufzeigt: Stellt euch vor, jemand hätte die Idee zu diesem Perpetuum Mobile so um 1906 gehabt, als die Gleichung E=mc2 schon bekannt war, man aber über Licht im Schwerefeld nichts wusste. Aus der Energieerhaltung (sprich der Unmöglichkeit dieses Perpetuum Mobiles) hätte man schon damals schließen können, dass irgendetwas mit Licht in einem Gravitationsfeld passieren muss. Hier zeigt sich wieder einmal das, was mich an der Physik vielleicht am meisten beeindruckt: Die enge Vernetzung der vielen Konzepte und Theorien miteinander, die “Einheit der Physik”.
Das Bild und die Erklärung dazu stammt wieder aus diesem Artikel:
K. Maruyama, F. Nori, V. Vedral “Colloquium: The pyhsics of Maxwell’s demon and information” Rev. Mod. Phys. 81 (2009)
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