Tweede wet thermodynamica -> limiet op nanotech?

[Verwijderd]

Beste GoT'ers,

Vandaag las ik op kurzweilai.net dat de tweede wet van thermodynamica binnen microscopische systemen niet opgaat, hetgeen betekent dat het bestaan van wonderbaarlijke nanobots-submarines in onze bloedstroom wel eens in gevaar zou kunnen zijn.

Nu ben ik geen natuurkundige, maar doe toch mijn best te begrijpen wat hier aan de hand is door zoveel mogelijk artikelen erover te lezen.

Zie:

[url="http://www.newscientist.com/news/news.jsp?id=ns99992572"]http://www.newscientist.com/news/news.jsp?id=ns99992572[/url]

[url="http://news.bbc.co.uk/hi/english/sci/tech/newsid_2135000/2135779.stm"]http://news.bbc.co.uk/hi/english/sci/tech/newsid_2135000/2135779.stm[/url]

[url="http://www.anu.edu.au/pad/reporter/volume/32/17/conferences/nanomachine.html"]http://www.anu.edu.au/pad/reporter/volume/32/17/conferences/nanomachine.html[/url]

[url="http://www.anu.edu.au/research/displayitem.php?highlight=1&submit=Go"]http://www.anu.edu.au/research/displayitem.php?highlight=1&submit=Go[/url]


Waar het op neer komt, is dat nanobots op deze schaal soms in z'n achteruit zouden lopen, in plaats van vooruit zoals het hoort. Het feit dat systemen op een groter niveau altijd vooruit lopen, heeft te maken met de randomness van allerlei deeltjes eromheen. De kans dat zo'n groot systeem ooit achteruit zou lopen is oneindig klein, en doet zich dan ook nooit voor in het dagelijks leven.

Ter illustratie: op nano-niveau zou een kopje thee als het ware warmer kunnen worden, in tegenstelling tot wat het zou moeten doen (namelijk afkoelen).


Ik persoonlijk zou het een eeuwige zonde vinden als dit echt betekent dat deze wonderbaarlijke machines nooit mogelijk zouden zijn. Met deze nieuwe ontdekking lijkt het daar echter wel op.

Maar dan aan de andere kant, in 1895 dacht men dat machines die zwaarder dan lucht zijn nooit zouden vliegen. Maar ja... leg dat maar eens uit aan de mensen van 11/9. En op die manier zijn er talloze andere voorbeelden te verzinnen.

Daarom denk (en hoop) ik zelf ook wel dat men hier op de een of andere manier een omweg omheen zal verzinnen.

Ik ben ook nieuwsgierig naar hoe met name de natuurkundigen (want daar lopen er nogal wat van rond ) binnen dit forum hierover denken.

Vreest niet, en spui uw mening.

[egeltje]

Ik moet FF zoeken, maar ik heb een artikel liggen waarin het gaat over een quantum motor. Onze spieren maken ook gebruik van dat principe.
Het gaat er vanuit dat overal quantumruis aanwezig is. Door nu alleen maar de voorwaartse ruis te gebruiken en niet de teruggaande (die normaal de voorwaartse ruis zou opheffen), ga je vooruit...

Het was een stukje in de Scientific American van een half jaar geleden ofzo.

[Verwijderd]

Ik denk dat doordat de 2e wet van TD niet geldt op zulke kleine schalen het maken van nanotechnology wel moeilijker wordt, maar niet onmogelijk. Kleine systemen als DNA en celstructuren werken immers ook.

[Tijntje]

Op maandag 22 juli 2002 15:05 schreef wieikke het volgende:
Ik denk dat doordat de 2e wet van TD niet geldt op zulke kleine schalen het maken van nanotechnology wel moeilijker wordt, maar niet onmogelijk. Kleine systemen als DNA en celstructuren werken immers ook.

Maar daar treden ook fouten in op denk aan kanker. Iedereen krijgt geloof ik ongeveer 50 keer per dag kanker alleen de witte bloedlichaampjes breken die weer af.

[Verwijderd]

Op maandag 22 juli 2002 15:39 schreef Tijntje het volgende:
Maar daar treden ook fouten in op denk aan kanker. Iedereen krijgt geloof ik ongeveer 50 keer per dag kanker alleen de witte bloedlichaampjes breken die weer af.

Dan zullen we voor de nanoduikbootjes ook een "witte bloedlichaampjes" variant moeten maken.

[Mx. Alba]

Op maandag 22 juli 2002 15:39 schreef Tijntje het volgende:

[..]

Maar daar treden ook fouten in op denk aan kanker. Iedereen krijgt geloof ik ongeveer 50 keer per dag kanker alleen de witte bloedlichaampjes breken die weer af.

In een cel zitten een heleboel beveiligingsmechanismen die er voor zorgen dat de cel dood gaat als er iets fout gaat. Pas als al die beveiligingsmechanismes het op de een of andere manier bezweken zijn kan er echte kanker ontstaan.

Het is heel goed mogelijk dat er dagelijks bij elke mens zo'n 50 (of nog meer) cellen ontsporen, maar die worden allemaal van binnenuit of van buitenaf vernietigd door verschillende beveiligingsmechanismen.

Om terug op topic te komen, ben ik het inderdaad volledig met wieikke eens. De temperatuur van een lichaam is de gemiddelde kinetische energie van de deeltjes waaruit het bestaat. Voor een groot lichaam is dat zeer constant, maar voor een klein lichaam kunnen er onvoorspelbare schommelingen optreden. Heel logisch, maar geen erg grote belemmering voor de nanotechnologie, lijkt mij...

[Verwijderd]

Op maandag 22 juli 2002 17:57 schreef Reyn Eaglestorm het volgende:
Om terug op topic te komen, ben ik het inderdaad volledig met wieikke eens. De temperatuur van een lichaam is de gemiddelde kinetische energie van de deeltjes waaruit het bestaat. Voor een groot lichaam is dat zeer constant, maar voor een klein lichaam kunnen er onvoorspelbare schommelingen optreden. Heel logisch, maar geen erg grote belemmering voor de nanotechnologie, lijkt mij...

Waarom denk je dat dan? Nanobots zijn namelijk erg klein en zo.

In een van de links die ik heb gegeven staat dat er toch wel een behoorlijke constraint op nanotech staat dankzij deze wets-overtreding.

Ik vraag me af... zou je het niet gewoon kunnen omzeilen door je nanobots groot (maar net niet te) te maken?

DAMN ik wil nanotech studeren...

[Mx. Alba]

En trouwens, de tweede wet van de thermodynamica gaat nog steeds wel degelijk op. Die geldt immers voor een gesloten systeem. En een nanobot in een bloedstroom is allesbehalve een gesloten systeem als je de nanobot alleen bekijkt. Je moet bloedstroom + nanobot bekijken, en dan klopt het wel.

[Verwijderd]

Op maandag 22 juli 2002 19:13 schreef Reyn Eaglestorm het volgende:
En trouwens, de tweede wet van de thermodynamica gaat nog steeds wel degelijk op. Die geldt immers voor een gesloten systeem. En een nanobot in een bloedstroom is allesbehalve een gesloten systeem als je de nanobot alleen bekijkt. Je moet bloedstroom + nanobot bekijken, en dan klopt het wel.

Nou, dat weet ik zo net nog niet. Je zegt nu dat een nanobot simpelweg wel functioneert wanneer je hem in de bloedsomloop plaatst? Dat lijkt me stug, vooral als je kijkt naar het feit dat de onderzoekers zeggen dat dit juist erg moeilijk gaat worden.

De nanobot kun je volgens mij wel degelijk zien als een gesloten systeem. Wanneer je deze nanobot in de bloedsomloop loslaat, is het een gesloten systeem in een gesloten systeem. Big deal verder, want de nanobot is een microscopisch systeem waar de wet niet voor op gaat.

Zo lees ik het althans in de artikels.

[Verwijderd]

Op maandag 22 juli 2002 19:04 schreef Codin het volgende:
[..]
Waarom denk je dat dan? Nanobots zijn namelijk erg klein en zo.
[..]
DAMN ik wil nanotech studeren...

Omdat het produceren van nano botjes net zo iets zou kunnen worden als het produceren van b.v. Gist...
Een gist-micro-orgaantje is een WAANZINNIG complex dingesje om even thuis op je Black&Decker in elkaar te schroeven...
Toch kun je 't voor een paar Euro-centen per kilo in de winkel krijgen...

Ik gok dat die nano botjes kunnen overleven wanneer ze net als een cel:
- Diverse controle/zelfvernietigins/verdedigings mogelijkheden hebben.
- Per 10000+ (veel) tegelijk in je lichaam gespoten worden...

Dan immiteer je dus in feite moeder natuur als 't gaat om: Hoe hou ik iets ERG kleins levend... Quantiteit ipv qualiteit.

[Verwijderd]

Geen slecht idee JazzIT.

Maar hier is het probleem dat machines, zoals wij ze willen maken, niet simpelweg werken op een kleiner geschaald niveau, zoals ze dat wel doen als je ze op groot niveau zou bouwen.

Hoe zou moeder natuur het dan gedaan hebben met haar nanosysteempjes?

Heel vervelend dat de nanotech-society hier nu weer mee in z'n maag zit.

[Confusion]

Codin schreef:
Ter illustratie: op nano-niveau zou een kopje thee als het ware warmer kunnen worden, in tegenstelling tot wat het zou moeten doen (namelijk afkoelen).

Ik persoonlijk zou het een eeuwige zonde vinden als dit echt betekent dat deze wonderbaarlijke machines nooit mogelijk zouden zijn. Met deze nieuwe ontdekking lijkt het daar echter wel op.

Waarom lijkt het daar op? Nano-machines zijn gewoon onderhevig aan de fluctuaties die zich op dat niveau afspelen, dus ook aan kortdurende 'overtredingen' van de tweede hoofdwet. Ik zie nog geen enkel bewijs dat nano-machines terug in de tijd zullen gaan lopen (whatever that may mean); de overtredingen van de tweede hoofdwet vinden gewoon voorwaarts in de tijd plaats en worden statisch gecorrigeerd over langere tijden om toch aan de tweede hoofdwet te voldoen.
Non-machines kunnen gewoon bestaan, maar door botsingen met bijvoorbeeld eiwitten zullen ze het erg zwaar hebben.

[Verwijderd]

Op maandag 22 juli 2002 22:36 schreef Fused het volgende:

[..]

Waarom lijkt het daar op?

.....

de overtredingen van de tweede hoofdwet vinden gewoon voorwaarts in de tijd plaats en worden statisch gecorrigeerd over langere tijden om toch aan de tweede hoofdwet te voldoen.

Nee, zo zit het niet. Wel even de artikeltjes doorspitten voor je reageert he.

Op een bepaald niveau zal de kans op een omgekeerd proces (lees de artikelen om te begrijpen wat het is) even groot zijn als de kans op een niet-omgekeerd proces.

Dat komt dus in totaal neer op een stilstand, hetgeen inhoudt dat de nanobot niet zal kunnen functioneren naar behoren.

Quote:

For example, as machines are made ever smaller, the probability that they will run in the reverse direction becomes ever greater until at a certain point, a machine is just as likely to run forwards as backwards.

...

The Theorem states that the probability of the Second Law of Thermodynamics being violated decreases exponentially as the size of the system and/or the duration of the violation increases.

...

As a result, nano-engines can either consume fuel to produce work, heat and waste or they can consume work, heat and waste to produce fuel. As the size of the engine gets smaller, the probabilities that the engine will run forwards or backwards become more nearly equal.

The full consequences of this are only just starting to be understood, but one practical outcome is that the Theorem sets a fundamental limit to the work available from nanomachines.

[Verwijderd]

Op maandag 22 juli 2002 22:36 schreef Fused het volgende:
Ik zie nog geen enkel bewijs dat nano-machines terug in de tijd zullen gaan lopen (whatever that may mean);

Dat wordt ook nergens gezegd/genoemd. Hoe kom je erbij dat ze terug in de tijd zouden gaan lopen?

[Verwijderd]

Oei... deze links zijn al verdomde interessant:

[url="http://www.rafi.org/documents/nr2002march6.pdf"]http://www.rafi.org/documents/nr2002march6.pdf[/url]
[url="http://www.robotslife.com/proj/mit_nano.htm"]http://www.robotslife.com/proj/mit_nano.htm[/url]
[url="http://www.nano.org.uk/thisweek66.htm"]http://www.nano.org.uk/thisweek66.htm[/url]
[url="http://biorobotics.mit.edu/fpga/Default.htm"]http://biorobotics.mit.edu/fpga/Default.htm[/url]

Gaat over de zogeheten NanoWalkers van MIT. Robotjes met een diameter van 32 millimeter die op atomair niveau structuren kunnen bouwen.

In het pdf'je staat dat ze in 3 maanden 'sub-atomische' operaties kunnen verrichten. En die pdf stamt uit maart dit jaar.

Ik weet niet of ze momenteel ook echt al klaar zijn... Zal haast wel niet, want dan verschijnt het toch op kurzweilai.net lijkt mij...

[Confusion]

Codin schreef:
Nee, zo zit het niet. Wel even de artikeltjes doorspitten voor je reageert he.

Heb ik gedaan. Ik interpreteerde alleen 'teruggaan in de tijd' anders dan er wordt bedoeld. Het is ook onzin om over tijd te gaan spreken; dat zaait enkel verwarring. Het daadwerkelijk omkeren van de tweede hoofdwet impliceert wel degelijk teruggaan in de tijd en dus is dit geen omkering van de tweede hoofdwet, slechts een overtreding ervan. Niet iets nieuws of iets dat ooit uitgesloten is, aangezien de tweede hoofdwet opgesteld is naar aanleiding van macroscopische waarnemingen.

Op een bepaald niveau zal de kans op een omgekeerd proces (lees de artikelen om te begrijpen wat het is) even groot zijn als de kans op een niet-omgekeerd proces.

Elk systeem vind zijn oorsprong op nano-niveau. Wat wij zien zijn slechts de macroscopische, statistisch uitgebalanceerde, effecten. Als het waar was, zou er niets in de wereld gebeuren. Nano-machines zijn niet fundamenteel anders dan eiwitten, transportmechanismen in cellen en andere nano-meuk die wel degelijk functioneren. Die staan niet stil, dus ik zou niet weten waarom nano-machientjes wel stil zouden staan.

[Verwijderd]

Op dinsdag 23 juli 2002 00:41 schreef Fused het volgende:
Elk systeem vind zijn oorsprong op nano-niveau. Wat wij zien zijn slechts de macroscopische, statistisch uitgebalanceerde, effecten. Als het waar was, zou er niets in de wereld gebeuren. Nano-machines zijn niet fundamenteel anders dan eiwitten, transportmechanismen in cellen en andere nano-meuk die wel degelijk functioneren. Die staan niet stil, dus ik zou niet weten waarom nano-machientjes wel stil zouden staan.

Ik denk dat de nanobots waar wij het over hebben wel fundamenteel anders zijn dan eiwitten. Eiwitten zijn niks anders dan strengen van moleculen, en de nanobots waarvan ik vermoed waar het over gaat, zijn van dit kaliber:

[url="http://www.foresight.org/Nanomedicine/Gallery/Images/TimeLifeNM.jpeg"]http://www.foresight.org/Nanomedicine/Gallery/Images/TimeLifeNM.jpeg[/url]

[url="http://www.foresight.org/UTF/Unbound_LBW/pictures/virus.jpg"]http://www.foresight.org/UTF/Unbound_LBW/pictures/virus.jpg[/url]

[url="http://www.foresight.org/Nanomedicine/Gallery/Images/BarbBot1A.jpg"]http://www.foresight.org/Nanomedicine/Gallery/Images/BarbBot1A.jpg[/url] (deze laatste niet al te serieus nemen )

Met andere woorden: kleine machinetjes met chips en logische schakelingen erin en alles. Een echt robotje dus.

Vandaar dat er ook gezegd wordt in de artikelen dat dergelijke machines niet functioneren op microscopisch niveau als dat ze doen op macroscopisch niveau.

[Confusion]

Codin schreef:
Ik denk dat de nanobots waar wij het over hebben wel fundamenteel anders zijn dan eiwitten. Eiwitten zijn niks anders dan strengen van moleculen,
[..]
Vandaar dat er ook gezegd wordt in de artikelen dat dergelijke machines niet functioneren op microscopisch niveau als dat ze doen op macroscopisch niveau.

Ook in cellen zitten kleine machinerieen; dingen die wel als moleculaire motoren omschreven worden. Ze verplaatsen andere moleculen, brengen vloeistofstromen op gang, oefenen kracht uit uit celwanden, zorgen dat celdeling plaats kan vinden. Gewoon ingewikkelde mechanisch beschrijfbare systemen die kracht uitoefenen: een motor. Ik zie niet waarom een nano-bot niet zou werken als deze machinerieen wel werken.

De schrijvers van de artikelen lijken niet op de hoogte van de grote vooruitgangen in de biofysica.

[Verwijderd]

Op dinsdag 23 juli 2002 01:11 schreef Fused het volgende:
Ook in cellen zitten kleine machinerieen; dingen die wel als moleculaire motoren omschreven worden. Ze verplaatsen andere moleculen, brengen vloeistofstromen op gang, oefenen kracht uit uit celwanden, zorgen dat celdeling plaats kan vinden. Gewoon ingewikkelde mechanisch beschrijfbare systemen die kracht uitoefenen: een motor.

Dat wist ik eigenlijk niet echt. Ik zag het menselijk lichaam eigenlijk alleen maar als een zak met daarin vrij zwevende chemicalien die vanzelf wel een keertje botsten, nieuwe bindingen aangingen, enzovoort...

Loopt er ook een echt softwareprogrammaatje in die bots?

Ik zie niet waarom een nano-bot niet zou werken als deze machinerieen wel werken.

De schrijvers van de artikelen lijken niet op de hoogte van de grote vooruitgangen in de biofysica.

Is dat van die motors in onze eigen natuurlijke nanobots dan een pas ontdekt iets?

Maar aan de andere kant, die gasten weten er als het goed is wel meer van af dan jij en ik, aangezien we beiden nog studenten zijn... (en ik nog geen eens op het desbetreffende terrein)

[Verwijderd]

Op dinsdag 23 juli 2002 10:35 schreef Codin het volgende:
[..]
Loopt er ook een echt softwareprogrammaatje in die bots?
[..]

Ja zeker!
Dat heet DNA/RNA
'T wordt actief "gelezen" (er staat bijvoorbeeld een handleiding: "Hoe bouw ik eiwit nr zoveel" in, of "na actie x komt actie y")
Je kunt 't herschrijven
Het is optimaliseerbaar
Er zitten 'bugs' in

Kortom... 't is ECHT "software" )

[Verwijderd]

Op dinsdag 23 juli 2002 12:39 schreef JazzIT het volgende:

Ja zeker!
Dat heet DNA/RNA
'T wordt actief "gelezen" (er staat bijvoorbeeld een handleiding: "Hoe bouw ik eiwit nr zoveel" in, of "na actie x komt actie y")
Je kunt 't herschrijven
Het is optimaliseerbaar
Er zitten 'bugs' in

Kortom... 't is ECHT "software" )

Mja ok... een software programma is inderdaad ook niks anders dan informatie. Dus als je het zo bekijkt...

[Verwijderd]

Ik denk dat de implicaties van deze "ontdekking" nogal worden overschat. Het klinkt natuurlijk heel cool om te zeggen dat je "de natuur achteruit hebt zien lopen" als je ziet dat de entropie niet toe, maar afneemt, maar eigenlijk had iedereen met een beetje gezond verstand dat wel kunnen verwachten. Sterker nog, volgens dit stukje:

Their results are also in good agreement with predictions of the "fluctuation theorem", a theory developed at ANU 10 years ago to reconcile the second law with the behaviour of particles at microscopic scales.

was dit alles 10 jaar geleden ook al bekend. Niks nieuws dus.

En de stelling

"The results imply that the fluctuation theorem has important ramifications for nanotechnology and indeed for how life itself functions", claim the researchers.

doet dit experiment veel gewichtiger en baanbrekender lijken, dan het eigenlijk is. Maar dat is ook wel logisch, want die wetenschappers willen natuurlijk het liefst iedereen (vooral mensen met genoeg geld om verder onderzoek te financieren) doen geloven dat ze iets fantastisch hebben ontdekt. Maar vergeef me als ik niet hevig geschokt ben door dit experiment en nog steeds dezelfde ideeën heb over hoe "het leven functioneert".

[Verwijderd]

Good point Sandalf.

Ik zat ook al met die 12 jaar oude theorie in m'n hoofd.

Blijkbaar wist men ervan, en toch heeft men de ideeen over nanobots niet gewijzigd.

Odd.....

Oh well.

[chemistone]

In het algemeen kun je stellen dat de thermo alleen geldt voor grote systemen van zeg meer dan 1000 moleculen. Dan heb je het over eigenschappen als entropie enzo. Daaronder overheerst een soort quantumgedrag. Thermodynamische grootheden zoals entropie is eigenlijk de som/gemiddelde van dat soort quantumgedrag. Vandaar dat je dan meer als 1000 atomen moet hebben. Maar dat soort dingen zijn niet aan de hand bij nano-robots. Over het achteruitlopen van wielen, in het groot voorkomen we dat, dat zal dus ook op nanoschaal moeten.

[Confusion]

Codin schreef:
Loopt er ook een echt softwareprogrammaatje in die bots?

Niet in de individuele organische constructies, maar wel in de cel. DNA is eigenlijk niet veel anders dan een algoritme; een heel ingewikkeld multi-threaded, event-driven, asynchroon algoritme met enorm veel bits, met enorm veel overbodige rotzooi die niet meer gebruikt wordt en die bovendien aan verandering onderhevig is...

Maar aan de andere kant, die gasten weten er als het goed is wel meer van af dan jij en ik, aangezien we beiden nog studenten zijn... (en ik nog geen eens op het desbetreffende terrein)

Maar ook wetenschappers laten zich soms graag gaan in speculatie . Zolang er geen experiment aantoont dat een nano-bot niet kan werken, geloof ik dat ze kunnen werken. Niet dat een lichaam een fijne werkomgeving is...

[Verwijderd]

Op dinsdag 23 juli 2002 22:12 schreef chemistone het volgende:
In het algemeen kun je stellen dat de thermo alleen geldt voor grote systemen van zeg meer dan 1000 moleculen.

Aha... en over hoeveel atomen per molecuul hebben we het dan?