เฟืองแบบบราวน์

เฟืองแบบบราวน์ คือ การทดลองทางความคิด เกี่ยวกับเครื่องจักรนิรันดร์ ที่เห็นได้ชัดซึ่งตั้งโดย ริชาร์ด ไฟยน์แมน ในการบรรยาย ฟิสิกส์ ณ สถาบันเทคโนโลยีแคลิฟอร์เนีย ในวันที่ 11 พฤษภาคม ค.ศ. 1962 เพื่อเป็นการอธิบาย กฎทางเทอร์โมไดนามิกส์

อุปกรณ์ในการทดลองทางความคิดประกอบด้วยเกียร์ซึ่งมี เฟืองหมุนทางเดียว โดยที่มันสั่นภายใต้ การเคลื่อนที่แบบบราวน์ (เป็นที่มาของชื่อดังกล่าว) ใน heat bath แนวคิดคือว่าการเคลื่อนที่ในทิศหนึ่งจะสามารถเป็นไปได้ตามเฟือง แต่การเคลื่อนที่ในทิศตรงกันข้ามจะถูกกันไว้ เกียร์จึงหมุนด้วยแรงเล็ก ๆ ไปเรื่อย ๆ ในทิศหนึ่งโดยปราศจาก heat gradient ใด ๆ นี่เป็นการหักล้าง กฎข้อที่สองของเทอร์โมไดนามิกส์ ซึ่งเริ่มไว้ว่า "มันเป็นไปไม่ได้สำหรับเครื่องมือใดที่จะทำงานในวัฏจักรหนึ่งโดยรับความร้อนจากระบบ reservoir เดียวและเกิดงานลัพธ์ขึ้น"

ถึงแม้ว่าในตอนแรก เฟืองแบบบราวน์ดูจะสกัดเอางานที่ใช้ได้จากการเคลื่อนที่แบบบราวน์ ไฟนย์แมนแสดงผ่านรายละเอียดข้อโต้แย้งจำนวนหนึ่งว่า การทำงานของมันจะทำลายตัวเอง และในความเป็นจริงจะไม่สามารถสร้างงานใด ๆ ได้ วิธีการง่าย ๆ ที่ทำให้เห็นภาพว่าเครื่องกลดังกล่าวนั้นใช้ไม่ได้ คือ การระลึกว่าเฟืองหมุนทางเดียวก็เป็นไปตามการเคลื่อนที่แบบบราวน์เช่นกัน อันที่จริงแล้วเฟืองจะมีขนาดเทียบได้กับเกียร์และทำตัวตามการเคลื่อนที่ของของขนาดเดียวกัน ดังนั้นเมื่อใดที่เครื่องกลเฟืองไปข้างหน้า มันก็จะไถลไปด้วยเนื่องจากการเคลื่อนที่แบบบราวน์ของเฟือง อย่างไรก็ตาม แนวคิดนี้นำไปสู่การพัฒนามอเตอร์แบบบราวน์ซึ่งสามารถสร้างงานที่เป็นประโยชน์ได้ แต่ไม่ขัดแย้งกับกฎทางเทอร์โมไดนามิกส์

อ้างอิง

• R. D. Astumian (1997). "Thermodynamics and kinetics of a Brownian motor", Science 276, p. 917-922.
• C. S. Peskin, G. M. Odell, and G. F. Oster (1993). "Cellular Motions and Thermal Fluctuations: The Brownian Ratchet", Biophysical Journal 65 p. 316-324

แหล่งข้อมูลอื่น

• Why is a Brownian motor not a perpetuum mobile of the second kind? 2003-12-06 ที่ เวย์แบ็กแมชชีน
• Coupled Brownian Motors - Can we get work out of unbiased fluctuation? 2009-05-10 ที่ เวย์แบ็กแมชชีน