Демон Максвелла — это мысленный эксперимент , который, по-видимому, опровергает второй закон термодинамики . Он был предложен физиком Джеймсом Клерком Максвеллом в 1867 году . [1] В своем первом письме Максвелл называл это существо «конечным существом» или «существом, которое может играть в игру с молекулами». Лорд Кельвин позже назовет его « демоном ». [2]
В мысленном эксперименте демон управляет дверью между двумя камерами, содержащими газ. Когда отдельные молекулы газа (или атомы) приближаются к двери, демон быстро открывает и закрывает дверь, пропуская только быстродвижущиеся молекулы в одном направлении и только медленно движущиеся молекулы в другом. Поскольку кинетическая температура газа зависит от скоростей составляющих его молекул, действия демона заставляют одну камеру нагреваться, а другую охлаждать. Это уменьшит общую энтропию системы , по-видимому , без применения какой-либо работы , тем самым нарушив второй закон термодинамики.
Концепция демона Максвелла вызвала серьезные дебаты в философии науки и теоретической физике , которые продолжаются и по сей день. Это стимулировало работу по взаимосвязи термодинамики и теории информации . Большинство ученых утверждают, что с теоретической точки зрения ни одно практическое устройство не может таким образом нарушить второй закон. Другие исследователи реализовали в экспериментах формы демона Максвелла, хотя все они в некоторой степени отличаются от мысленного эксперимента, и ни один из них не нарушил второй закон.
Мысленный эксперимент впервые появился в письме Максвелла Питеру Гатри Тейту 11 декабря 1867 года. Он появился снова в письме Джону Уильяму Стратту в 1871 году, прежде чем он был представлен публике в книге Максвелла по термодинамике 1872 года под названием «Теория тепла» . [3]
В своих письмах и книгах Максвелл описывал агента, открывающего дверь между камерами, как «конечное существо». Будучи глубоко религиозным человеком, он никогда не употреблял слово «демон». Вместо этого Уильям Томсон (лорд Кельвин) был первым, кто использовал его для концепции Максвелла в журнале Nature в 1874 году и подразумевал, что он имел в виду греческую мифологическую интерпретацию демона , сверхъестественного существа, действующего на заднем плане, а не злонамеренного существа. существование. [2] [4] [5]
Второй закон термодинамики гарантирует (посредством статистической вероятности), что два тела с разной температурой , при соприкосновении друг с другом и изолированные от остальной Вселенной, придут к термодинамическому равновесию, при котором оба тела будут иметь примерно одинаковую температуру. [6] Второй закон также выражается в утверждении, что в изолированной системе энтропия никогда не уменьшается. [6]
Максвелл задумал мысленный эксперимент как способ углубить понимание второго закона. Его описание эксперимента следующее: [6] [7]
... если мы представим себе существо, чьи способности настолько обострены, что оно может следовать за каждой молекулой в ее движении, такое существо, чьи атрибуты столь же по существу конечны, как и наши собственные, будет способно сделать то, что невозможно для нас. Ибо мы видели, что молекулы в сосуде, наполненном воздухом при одинаковой температуре, движутся со скоростями далеко не равномерными, хотя средняя скорость любого большого их числа, произвольно выбранного, почти точно однородна. Теперь предположим, что такой сосуд разделен на две части, А и В , перегородкой, в которой есть маленькое отверстие, и что существо, которое может видеть отдельные молекулы, открывает и закрывает это отверстие, чтобы позвольте только более быстрым молекулам проходить от A к B и только более медленным молекулам проходить от B к A. Таким образом, он без затрат работы повысит температуру В и понизит температуру А , что противоречит второму закону термодинамики.
Другими словами, Максвелл представляет себе один контейнер, разделенный на две части : А и В. [6] [8] Обе части заполнены одним и тем же газом при одинаковой температуре и расположены рядом друг с другом. Наблюдая за молекулами с обеих сторон, воображаемый демон охраняет люк между двумя частями. Когда молекула из A , движущаяся быстрее средней , летит к люку, демон открывает его, и молекула полетит из A в B. Аналогично, когда молекула из B , медленнее средней, летит к люку, демон пропустит ее из B в A. Средняя скорость молекул в B увеличится, тогда как в A они в среднем замедлятся. Поскольку средняя скорость молекул соответствует температуре, температура уменьшается в A и увеличивается в B , что противоречит второму началу термодинамики. Тепловая машина , работающая между тепловыми резервуарами A и B , могла бы извлечь полезную работу из этой разницы температур.
Демон должен пропускать молекулы в обоих направлениях, чтобы создать только разницу температур; одностороннее прохождение только молекул, скорость которых превышает среднюю скорость, от A к B , приведет к повышению температуры и давления на стороне B.
Некоторые физики представили расчеты, которые показывают, что второй закон термодинамики на самом деле не будет нарушен, если провести более полный анализ всей системы, включая демона. [6] [8] [9] Суть физического аргумента состоит в том, чтобы показать с помощью вычислений, что любой демон должен «генерировать» больше энтропии, разделяющей молекулы, чем он мог бы когда-либо устранить описанным методом. То есть, чтобы измерить скорость молекул и избирательно позволить им пройти через отверстие между A и B , потребуется больше термодинамической работы , чем количество энергии , полученной за счет разницы температур, вызванной этим.
Один из самых известных ответов на этот вопрос был предложен в 1929 году Лео Силардом [10] , а затем Леоном Бриллюэном . [6] [8] Сцилард отметил, что реальный демон Максвелла должен иметь некоторые средства измерения скорости молекул, и что акт получения информации потребует затрат энергии. Поскольку демон и газ взаимодействуют, мы должны учитывать общую энтропию газа и демона вместе взятых. Затраты энергии демоном вызовут увеличение энтропии демона, которое будет больше, чем понижение энтропии газа.
В 1960 году Рольф Ландауэр выдвинул исключение из этого аргумента. [6] [8] [11] Он понял, что некоторые измерительные процессы не обязательно увеличивают термодинамическую энтропию, если они термодинамически обратимы . Он предположил, что эти «обратимые» измерения можно использовать для сортировки молекул, нарушая Второй закон. Однако из-за связи между энтропией в термодинамике и теорией информации это также означало, что записанные измерения нельзя стирать. Другими словами, чтобы определить, пропускать ли молекулу, демон должен получить информацию о состоянии молекулы и либо отбросить ее, либо сохранить. Выброс его приводит к немедленному увеличению энтропии, но демон не может хранить его бесконечно. В 1982 году Чарльз Беннетт показал, что, как бы хорошо он ни был подготовлен, в конце концов у демона закончится место для хранения информации, и он должен будет начать стирать информацию, которую он ранее собрал. [8] [12] Стирание информации — это термодинамически необратимый процесс, который увеличивает энтропию системы. Хотя Беннетт пришел к тому же выводу, что и статья Сциларда 1929 года, о том, что максвелловский демон не может нарушить второй закон, поскольку будет создана энтропия, он пришел к нему по другим причинам. Что касается принципа Ландауэра , минимальная энергия, рассеиваемая при удалении информации, была экспериментально измерена Эриком Лутцем и др. в 2012 году. Кроме того, Lutz et al. подтвердил, что для достижения предела Ландауэра система должна асимптотически приближаться к нулевой скорости обработки. [13] Недавно принцип Ландауэра также был использован для разрешения явно не связанного с ним парадокса статистической физики, парадокса Лошмидта . [14]
Джон Эрман и Джон Д. Нортон утверждали, что объяснения Сциларда и Ландауэра демона Максвелла начинаются с предположения, что второй закон термодинамики не может быть нарушен демоном, и выводят из этого предположения дополнительные свойства демона, включая необходимость потребления энергии. при стирании информации и т. д. [15] [16] Поэтому было бы неправильным ссылаться на эти производные свойства для защиты второго закона от демонического аргумента. Позже Беннетт признал обоснованность аргументов Эрмана и Нортона, утверждая при этом, что принцип Ландауэра объясняет механизм, с помощью которого реальные системы не нарушают второй закон термодинамики. [17]
Хотя аргумент Ландауэра и Беннета лишь отвечает на непротиворечивость между вторым законом термодинамики и всем циклическим процессом всей системы двигателя Сциларда (составной системы двигателя и демона), недавний подход, основанный на не- равновесная термодинамика для небольших колеблющихся систем дала более глубокое понимание каждого информационного процесса в каждой подсистеме. С этой точки зрения процесс измерения рассматривается как процесс, в котором корреляция ( взаимная информация ) между двигателем и демоном увеличивается, уменьшая энтропию системы на величину, заданную взаимной информацией. [18] Если корреляция изменяется, термодинамические соотношения, такие как второй закон термодинамики и флуктуационная теорема для каждой подсистемы, должны быть изменены, а для случая внешнего управления - неравенство, подобное второму закону [18] [19] [20] и обобщенная флуктуационная теорема [21] с взаимной информацией. Для более общих информационных процессов, включая обработку биологической информации, справедливы как неравенство [22] , так и равенство [23] с взаимной информацией. При проведении повторных измерений снижение энтропии системы определяется энтропией последовательности измерений, [18] [24] [25] которая учитывает уменьшение информации из-за корреляции между измерениями.
Встречаются реальные версии максвелловских демонов, но эффекты снижения энтропии у всех таких «настоящих демонов» или молекулярных демонов должным образом уравновешиваются увеличением энтропии в других местах. [26] Механизмы молекулярного размера больше не встречаются только в биологии; они также являются предметом развивающейся области нанотехнологий . Одноатомные ловушки, используемые физиками элементарных частиц, позволяют экспериментатору контролировать состояние отдельных квантов аналогично демону Максвелла.
Если гипотетическая зеркальная материя существует, Зураб Силагадзе предполагает, что можно представить себе демонов, «которые могут действовать как вечные двигатели второго рода: извлекать тепловую энергию только из одного резервуара, использовать ее для выполнения работы и быть изолированными от остального обычного мира. Однако Второй Закон не нарушается, поскольку демоны платят свою энтропийную цену в скрытом (зеркальном) секторе мира, испуская зеркальные фотоны». [27]
В 2007 году Дэвид Ли объявил о создании нано-устройства на основе броуновского храповика, популяризированного Ричардом Фейнманом . Устройство Ли способно вывести химическую систему из равновесия , но оно должно питаться от внешнего источника ( в данном случае света ) и поэтому не нарушает термодинамику. [28]
Ранее исследователи, в том числе лауреат Нобелевской премии Фрейзер Стоддарт, создали кольцеобразные молекулы, называемые ротаксаны , которые можно было разместить на оси, соединяющей два участка, А и В. Частицы из любого места врезались в кольцо и перемещали его из конца в конец. Если в систему была помещена большая коллекция этих устройств, половина устройств имела кольцо в точке A , а половина — в точке B в любой данный момент времени. [29]
Ли внес небольшое изменение в ось: если на устройство посветить светом, центр оси утолщается, ограничивая движение кольца. Однако он удерживает кольцо от перемещения только в том случае, если оно находится в точке A . Поэтому со временем кольца переместятся из точки B в точку A и застрянут там, создавая дисбаланс в системе. В своих экспериментах Ли смог за несколько минут вывести банк из «миллиардов этих устройств» из равновесия 50:50 в дисбаланс 70:30. [30]
В 2009 году Марк Г. Райзен разработал метод лазерного атомного охлаждения, который реализует задуманный Максвеллом процесс сортировки отдельных атомов газа в разные контейнеры в зависимости от их энергии. [6] [31] [32] Новая концепция представляет собой стену с односторонним движением для атомов или молекул, которая позволяет им двигаться в одном направлении, но не возвращаться назад. Работа односторонней стены основана на необратимом атомном и молекулярном процессе поглощения фотона определенной длины волны с последующим спонтанным излучением в другое внутреннее состояние. Необратимый процесс связан с консервативной силой, создаваемой магнитными полями и/или светом. Райзен и его коллеги предложили использовать одностороннюю стену, чтобы уменьшить энтропию ансамбля атомов. Параллельно Гонсало Муга и Андреас Рушхаупт независимо друг от друга разработали аналогичную концепцию. Их «атомный диод» был предложен не для охлаждения, а скорее для регулирования потока атомов. Группа Райзена продемонстрировала значительное охлаждение атомов с помощью односторонней стенки в серии экспериментов в 2008 году. Впоследствии действие односторонней стенки для атомов было продемонстрировано Дэниелом Стеком и его сотрудниками позже в 2008 году. Их эксперимент был основан на схема 2005 года для односторонней стены и не использовалась для охлаждения. Метод охлаждения, реализованный Группой Райзена, получил название «однофотонное охлаждение», поскольку для приближения атома в среднем требуется только один фотон. В этом отличие от других методов лазерного охлаждения, которые используют импульс фотона и требуют двухуровневого циклического перехода.
В 2006 году Райзен, Муга и Рушхаупт показали в теоретической статье, что, когда каждый атом пересекает одностороннюю стену, он рассеивает один фотон, и предоставляется информация о точке поворота и, следовательно, об энергии этой частицы. Увеличение энтропии поля излучения, рассеянного направленным лазером в случайном направлении, точно уравновешивается уменьшением энтропии атомов, когда они захватываются односторонней стенкой.
Этот метод широко называют «демоном Максвелла», поскольку он реализует процесс Максвелла по созданию разницы температур путем сортировки атомов с высокой и низкой энергией в разные контейнеры. Однако ученые отметили, что это не нарушает второй закон термодинамики , [6] [33] не приводит к чистому уменьшению энтропии [6] [33] и не может быть использовано для производства полезной энергии. Это связано с тем, что для этого процесса требуется больше энергии от лазерных лучей, чем можно было бы произвести за счет создаваемой разницы температур. Атомы поглощают фотоны с низкой энтропией из лазерного луча и излучают их в случайном направлении, тем самым увеличивая энтропию окружающей среды. [6] [33]
В 2014 году Пекола и др. продемонстрировал экспериментальную реализацию двигателя Сциларда. [34] [35] Всего год спустя, основываясь на более раннем теоретическом предложении, [36] та же группа представила первую экспериментальную реализацию автономного демона Максвелла, который извлекает микроскопическую информацию из системы и уменьшает ее энтропию за счет применения обратной связи. Демон основан на двух одноэлектронных устройствах с емкостной связью, объединенных в одну и ту же электронную схему. Работа демона непосредственно наблюдается как падение температуры в системе с одновременным повышением температуры в демоне, возникающим из-за термодинамических затрат на создание взаимной информации. [37] В 2016 году Пекола и др. продемонстрировал доказательство принципа автономного демона в связанных одноэлектронных схемах, показав способ охлаждения критических элементов в схеме с помощью информации в качестве топлива. [38] Пекола и др. также предположили, что простая кубитная схема, например, состоящая из сверхпроводящей цепи, может стать основой для изучения квантового двигателя Сциларда. [39]
Демоны в вычислительной технике , обычно процессы, которые запускаются на серверах для ответа пользователям, названы в честь демона Максвелла. [40]
Историк Генри Брукс Адамс в своей рукописи «Правило фазы в применении к истории » попытался использовать демона Максвелла в качестве исторической метафоры , хотя он неправильно понял и неправильно применил первоначальный принцип. [41] Адамс интерпретировал историю как процесс, движущийся к «равновесию», но он видел милитаристские нации (он чувствовал, что Германия является выдающимся в этом классе) как тенденцию обратить этот процесс вспять, демон истории Максвелла. Адамс предпринял множество попыток ответить на критику его формулировки со стороны своих научных коллег, но к моменту его смерти в 1918 году работа осталась незавершенной и была опубликована посмертно. [42]