Як демон Максвелла продовжує лякати вчених

Всесвіт робить ставку на безлад. Уявіть, наприклад, як ви кидаєте наперсток червоного барвника в басейн. Всі ці молекули барвника будуть повільно поширюватися по воді. Фізики кількісно визначають цю тенденцію до поширення, підраховуючи кількість можливих способів розташування молекул барвника. Є один можливий стан, коли молекули стискаються в наперсток. Є ще одна, де, скажімо, молекули осідають в охайній грудочці на дні басейну. Але є незліченні мільярди перестановок, коли молекули по-різному поширюються по всій воді. Якщо Всесвіт вибирає з усіх можливих станів навмання, можна покластися на парі, що в кінцевому підсумку це матиме одну з величезної кількості безладних можливостей.

Вбачається таким чином, невблаганний підйом ентропії, або розладу, як кількісно визначається другим законом термодинаміки, набуває майже математичної визначеності. Тому, звичайно, фізики постійно намагаються це зламати.

Один майже зробив. Мисленнєвий експеримент, розроблений шотландським фізиком Джеймсом Клерком Максвеллом у 1867 році тупо вчені протягом 115 років. І навіть після того, як було знайдено рішення, фізики продовжували використовувати «демона Максвелла», щоб розсунути закони Всесвіту до своїх меж.

В експерименті з думками Максвелл уявляв, як розбити кімнату, повну газу, на два відділення, звів стіну з маленькими дверима. Як і всі гази, цей складається з окремих частинок. Середня швидкість часток відповідає температурі газу - швидше стає гарячішим. Але в будь-який момент деякі частинки рухатимуться повільніше інших.

Що, якби, припустив Максвелл, крихітна уявна істота - демон, як і було пізніше зателефонували - сів біля дверей. Щоразу, коли він бачив, як з лівого боку наближається швидко рухається частинка, він відчиняв двері і впускав її у правий відсік. І щоразу, коли повільно рухається частинка наближалася справа, демон впускав її в лівий відсік.

Через деякий час лівий відсік був би повний холодних частинок, а правий відсік нагрівався. Здавалося б, ця ізольована система зростатиме більш упорядковано, не менше, оскільки два відрізнити відділення мають більше порядку, ніж два однакових відділення. Максвелл створив систему, яка, здавалося б, кидала виклик зростанню ентропії, а отже, і законам Всесвіту.

"Він намагався довести систему, де ентропія зменшиться", - сказав Лая Дельгадо Калліко, фізик з Королівського коледжу Лондона. "Це парадокс".

Два досягнення мали б вирішальне значення для вирішення демона Максвелла. Першим був американський математик Клод Шеннон, якого розглядали як засновник теорії інформації. У 1948 р. Шеннон продемонстрував, що інформаційний зміст повідомлення можна кількісно визначити за допомогою того, що він назвав інформаційною ентропією. "У XIX столітті ніхто не знав про інформацію", - сказав він Такахіро Сагава, фізик Токійського університету. "Сучасне розуміння демона Максвелла було встановлено роботами Шеннона".

Другою важливою частиною головоломки був принцип стирання. У 1961 році німецько-американський фізик Рольф Ландауер показав, що будь-які логічно незворотні обчислення, такі як стирання інформації з пам'яті, призведуть до мінімального ненульового обсягу робіт, перетвореного на скидання тепла в навколишнє середовище, і відповідного зростання ентропії. Принцип стирання Ландауера забезпечував спокусливий зв'язок між інформацією та термодинамікою. "Інформація фізична", - пізніше він Оголошена.

У 1982 році американський фізик Чарльз Беннетт поставив шматочки головоломки разом. Він зрозумів, що демон Максвелла - це суть машини для обробки інформації: йому потрібно було записувати та зберігати інформацію про окремі частинки, щоб вирішити, коли відкривати та закривати двері. Періодично потрібно буде стирати цю інформацію. Відповідно до принципу стирання Ландауера, зростання ентропії від стирання з лишком компенсує зменшення ентропії, спричинене сортуванням частинок. "Вам потрібно заплатити", - сказав Гонсало Манзано, фізик з Інституту квантової оптики та квантової інформації у Відні. Потреба демона звільнити місце для отримання додаткової інформації неминуче призвела до чистого зростання безладу.

Потім у 21 столітті, коли мислительний експеримент був вирішений, почалися справжні експерименти. "Найважливішим розвитком є ​​те, що тепер ми можемо реалізувати демона Максвелла в лабораторіях", - сказав Сагава.

У 2007 р. Вчені використовували легкі ворота продемонструвати ідею демона Максвелла в дії; у 2010 році інша команда розробила спосіб використання енергії, яку виробляє інформація демона намовляти намистину вгору; а в 2016 році вчені застосували ідею демона Максвелла до двох відділень, що містять не газ, а світло.

"Ми змінили ролі матерії та світла", - сказав Влатко Ведрал, фізик Оксфордського університету та один із співавторів дослідження. Врешті-решт дослідники змогли заряджайте дуже маленький акумулятор.

Інші задавались питанням, чи не існують менш вимогливі способи використання інформації для вилучення корисної роботи з подібної системи. І дослідження, опубліковане в лютому в Physical Review Letters, здається, знайшов спосіб зробити це. Робота перетворює демона на азартного гравця.

Команда, очолювана Манзано, задалася питанням, чи є спосіб реалізувати щось на зразок демона Максвелла, але без інформаційних вимог. Вони уявили собі двокамерну систему з дверима, як і раніше. Але в цьому випадку двері самостійно відчинялись і закривались. Іноді частинки випадковим чином розділялися на більш гарячі та холодні відділення. Демон міг лише спостерігати за цим процесом і вирішувати, коли вимикати систему. Теоретично цей процес може створити невеликий температурний дисбаланс і, отже, корисний тепловий двигун, якби демон був розумним щодо того, коли закінчити експеримент і зафіксувати будь-який температурний дисбаланс на місці, так само, як розумний азартний гравець на гарячій смузі знає, коли потрібно піти стіл. "Ви можете або грати всю ніч за столом рулетки, або зупинитись, якщо виграєте 100 доларів", - сказав Едгар Ролдан, фізик з Міжнародного центру теоретичної фізики в Італії, який був співавтором дослідження. “Ми говоримо, що нам не потрібен такий складний пристрій, як демон Максвелла, щоб витягти роботу за другим законом. Ми можемо бути більш розслабленими ". Потім дослідники впровадили такого азартного демона в наноелектронний пристрій, щоб показати, що це можливо.

Такі ідеї можуть виявитися корисними при проектуванні більш ефективних теплових систем, таких як холодильники, або навіть при розробці більш досконалих комп'ютерних мікросхем, які можуть наближатися до фундаментальної межі, продиктованої принципом Ландауера.

На даний момент, однак, наші закони Всесвіту безпечні, навіть коли вони піддаються найвищій увазі. Що змінилося, так це наше розуміння інформації у Всесвіті, а разом з ним і наша оцінка демона Максвелла, спочатку неприємний парадокс, а тепер безцінна концепція - та, яка допомогла висвітлити надзвичайний зв’язок між фізичним світом та інформацією.

Джерело: https://www.quantamagazine.org/how-maxwells-demon-continues-to-startle-scientists-20210422/