Demonul lui Maxwell în cuvinte simple. Demonul lui Maxwell: convertor de informații în energie

Despre cum un demon pe nume Rush a venit în casa unei doamne nobile și a adus-o în secret la stăpânul său - Bună, frumoasă, bună doamnă, cea mai frumoasă dintre toți cei vii. Stăpânul meu vă trimite salutările și vă cere să vii să vorbești cu el

Experimentul de gândire este următorul: să presupunem că un vas cu un gaz este împărțit de o partiție impenetrabilă în două părți: dreapta și stânga. În compartimentul despărțitor există o gaură cu un dispozitiv (așa-numitul demon al lui Maxwell), care permite moleculelor de gaz rapide (fierbinți) să zboare numai din partea stângă a vasului spre dreapta și moleculelor lente (reci) numai din partea dreaptă a vasului spre stânga. Apoi, după o perioadă lungă de timp, moleculele „fierbinte” (rapide) vor ajunge în vasul drept, iar cele „reci” vor „rămâne” în cel stâng.

Astfel, se dovedește că demonul lui Maxwell vă permite să încălziți partea dreaptă a vasului și să răciți partea stângă fără alimentare suplimentară cu energie a sistemului. Entropia pentru un sistem format din părțile din dreapta și din stânga vasului este mai mare în starea inițială decât în ​​starea finală, ceea ce contrazice principiul termodinamic al entropiei nedescrescătoare în sistemele închise (vezi a doua lege a termodinamicii)

Paradoxul este rezolvat dacă luăm în considerare sistem închis, inclusiv demonul lui Maxwell și un vas. Pentru ca demonul lui Maxwell să funcționeze, energia trebuie să fie transferată către el de la o sursă terță parte. Datorită acestei energii are loc separarea moleculelor calde și reci din vas, adică trecerea la o stare cu entropie mai mică. O analiză detaliată a paradoxului pentru implementarea mecanică a demonului (clichet și clichet) este dată în Feynman Lectures on Physics, voi. 4, precum și în prelegerile populare ale lui Feynman „Natura legilor fizice”.

Odată cu dezvoltarea teoriei informației, s-a constatat că procesul de măsurare poate să nu conducă la o creștere a entropiei, cu condiția ca acesta să fie reversibil termodinamic. Cu toate acestea, în acest caz, demonul trebuie să-și amintească rezultatele măsurării vitezei (ștergerea lor din memoria demonului face ca procesul să fie ireversibil). Deoarece memoria este finită, la un anumit moment demonul este forțat să ștergă rezultatele vechi, ceea ce duce în cele din urmă la o creștere a entropiei întregului sistem în ansamblu.

Succesul fizicienilor japonezi

Pentru prima dată, fizicienii japonezi au reușit să obțină experimental o creștere a energiei interne a unui sistem, folosind doar informații despre starea acestuia și fără a-i transfera energie suplimentară.
Generarea de energie din informație a fost descrisă pentru prima dată teoretic de fizicianul britanic James Maxwell în experimentul său de gândire. În ea, o creatură, numită mai târziu „demonul lui Maxwell”, păzea ușa dintre două camere. Demonul, cunoscând energia moleculei care se apropie de ușă, deschide trecerea doar pentru moleculele „rapide”, închizând ușa în fața celor „încete”. Ca rezultat, toate moleculele „rapide” vor fi într-o cameră, iar toate cele lente în cealaltă, iar diferența de temperatură rezultată poate fi folosită în scopuri practice.
Implementarea unei astfel de centrale „demonice” necesită costuri de energie mult mai mari decât pot fi extrase din diferența de temperatură rezultată, astfel încât motoarele reale care funcționează pe acest principiu nu au fost niciodată luate în considerare serios de oamenii de știință. Cu toate acestea, interesul pentru astfel de sisteme a reapărut în în ultima vreme odată cu dezvoltarea nanotehnologiei.
Autorii studiului, fizicieni japonezi conduși de Masaki Sano de la Universitatea din Tokyo, au pus în practică un experiment de gândire care implică „demonul lui Maxwell”.
Oamenii de știință au folosit un obiect polimer de aproximativ 300 de nanometri, care seamănă cu o mărgele. Forma sa este aleasă astfel încât rotirea în sensul acelor de ceasornic să fie mai benefică din punct de vedere energetic, deoarece aceasta este însoțită de eliberarea de energie mecanică. Rotirea în sens invers acelor de ceasornic, dimpotrivă, duce la „răsucirea” margelei și la o creștere a energiei mecanice stocate în ea.
Margea a fost plasată într-o soluție specială și, datorită dimensiunilor sale mici, a început să ia parte la mișcarea browniană și să se rotească - atât în ​​sensul acelor de ceasornic, cât și în sens invers acelor de ceasornic.
Cercetătorii au folosit echipamente speciale pentru a urmări fiecare rotație a mărgelei și, pe măsură ce aceasta se rotea în sens invers acelor de ceasornic, au aplicat o tensiune electrică containerului în care se afla. Această operațiune nu a transferat energie suplimentară sistemului, dar, în același timp, nu a permis ca șiragul să se „desfășoare” înapoi. Astfel, folosind doar informații despre unde s-a întors șiragul, oamenii de știință au reușit să-și mărească aportul de energie mecanică numai datorită energiei mișcării browniene a moleculelor.
Legea conservării energiei nu este încălcată. Conform calculelor lui Sano, eficiența conversiei informațiilor în energie în experimentul lor a fost de 28%, ceea ce este în concordanță cu calculele teoretice.
Un astfel de mecanism ar putea fi folosit pentru a opera nanomașini sau mecanisme moleculare, spune Vlatko Vedral, un fizician de la Universitatea din Oxford care nu a luat parte la experimentul lui Sano, a cărui opinie este citată de publicația online Nature News.
„Ar fi foarte interesant să descoperim utilizarea acestui principiu de transfer de energie în sistemele vii”, a adăugat omul de știință.

Fizicieni din Finlanda, Rusia și SUA au fost pionierul demonului electron autonom al lui Maxwell. Autorii au publicat rezultatele cercetării lor în revista Physical Review Letters. Care sunt demonii lui Maxwell și cum pot interfera aceștia cu funcționarea computerelor, spune Lenta.ru.

Intriga în jurul demonilor lui Maxwell a persistat în știință timp de 150 de ani. Conceptul de ființă supranaturală a fost propus în 1867 de către fizicianul britanic James Clerk Maxwell. Vorbim despre un anumit dispozitiv care funcționează în așa fel încât să ducă la o încălcare (aparent) a celei de-a doua legi a termodinamicii - una dintre cele mai fundamentale legi ale naturii.

În experimentul său de gândire, Maxwell a luat o butelie de gaz închisă și a împărțit-o în două părți cu un perete interior cu o trapă mică. Prin deschiderea și închiderea trapei, demonul lui Maxwell separă particulele rapide (fierbinte) și lente (reci). Ca urmare, în cilindru apare o diferență de temperatură, iar căldura este transferată de la un gaz mai rece la unul mai fierbinte, ceea ce ar părea să contrazică cea de-a doua lege a termodinamicii.

A doua lege a termodinamicii determină direcția procese fizice. În special, după cum a arătat fizicianul german Rudolf Clausius, face imposibil transferul spontan (adică fără a lucra) de căldură de la un corp mai rece la unul mai fierbinte sau, ceea ce este același lucru, o scădere a entropiei (un măsura dezordinei) a unui sistem izolat. În formularea francezului Sadi Carnot, această lege sună așa: un motor termic cu un coeficient acțiune utilă sută la sută imposibil.

A doua lege a termodinamicii a fost formulată în cele din urmă în secolul al XIX-lea. Apoi a fost o lege pentru o serie de cazuri speciale (natura sa fundamentală a devenit mai clară mai târziu). Fizicienii au căutat contradicții în ea, iar una dintre ele (împreună cu moartea termică a Universului) a fost prezentată de Maxwell într-o scrisoare către colegul său Peter Tate.

Paradoxul a atras imediat atenția oamenilor de știință și a iubitorilor de știință. În secolul al XX-lea, faima demonului lui Maxwell a fost eclipsată de pisica (sau pisica) lui Schrödinger. Între timp, ca un animal de companie din mecanica cuantică, demonul fizicianului britanic a servit drept sursă a multor descoperiri importante. În special, datorită lui, a apărut teoria termodinamică a informațiilor și ideea conexă a entropiei informaționale.

În anii 1960, Rolf Landauer, cercetător la compania americană IBM (International Business Machines), a formulat principiul care îi poartă numele. El a conectat pierderea unui pic de informații în orice sistem fizic cu eliberarea unei cantități corespunzătoare de căldură (sau, ceea ce este același, o creștere a entropiei termodinamice). Lucrarea lui Landauer a avut o semnificație fundamentală pentru calcul, care continuă până în zilele noastre. Expresia, numită după Landauer, precum și după americanii Claude Shannon și John von Neumann, permite să se determine limita caracteristici fizice dispozitive (în primul rând puterea și dimensiunea) în care informațiile sunt distruse. Procesoarele create de om au trecut de la disiparea de miliarde de ori mai multă căldură decât prevedea principiul Landauer la sensuri moderne, doar de mii de ori mai mare decât acesta.

Să existe o celulă de memorie care să conțină informații codificate în biți (cu valorile zero și unu). Dacă îl distrugi (adică îl transformi într-o stare care conține doar zerouri sau unu), căldura va fi eliberată. În limbajul termodinamicii, aceasta înseamnă că entropia sistemului se transformă la zero, deoarece a fost atinsă starea maximă ordonată (descrisă doar prin zerouri sau unu). Lui Landauer îi plăcea să repete că „informația este o cantitate fizică”, acesta era motto-ul său.

Pentru prima dată, oamenii de știință din Franța și Germania au măsurat căldura degajată atunci când un pic de informații este distrus. Celula de memorie era o sferă de cuarț cu un diametru de doi micrometri plasată în apă. Folosind pensete optice, fizicienii au creat o pereche de găuri potențiale în care mărgele ar putea ajunge. Aceste stări ale sistemului corespundeau valorilor logice zero și unu. Când sistemul a fost transferat într-o singură stare, informațiile au fost șterse. Mașina a ținut cont de multe nuanțe, în special de fluctuații, al căror rol a crescut odată cu scăderea adâncimii gropilor. Folosind Rapid, fizicienii au observat trecerea unui sistem de la o stare la alta. Procesul a fost însoțit de degajare de căldură, temperatura apei a crescut, iar acest lucru a fost înregistrat. Datele obținute s-au dovedit a fi apropiate de cele prezise de principiul lui Landauer.

Dar ce legătură are demonul lui Maxwell cu asta? Cert este că atunci când sortează moleculele calde și reci în experimentul de gândire al lui Maxwell, demonul acumulează informații despre vitezele particulelor. La un moment dat, memoria devine plină și demonul trebuie să o ștergă pentru a continua să funcționeze. Acest lucru necesită o muncă exact egală cu munca care ar putea fi extrasă teoretic dintr-un sistem de particule calde și reci. Adică, a doua lege a termodinamicii nu este încălcată. Cu toate acestea, apare o întrebare metafizică despre entitatea care șterge memoria demonului. Ar putea fi un fel de super demon care influențează un demon minor? Răspunsul la această întrebare a fost propus pentru prima dată în 1929 de unul dintre participanții la Proiectul Manhattan, fizicianul american Leo Szilard. Dispozitivul care poartă numele lui oferă demonului lui Maxwell o funcționare autonomă.

Oamenii de știință japonezi au reușit să o implementeze pentru prima dată în 2010. Modelul lor electromecanic este o sferă de polistiren cu un diametru de aproximativ 300 de nanometri plasată într-un electrolit. Câmpul electromagnetic a împiedicat mișcarea mărgelei în jos, drept urmare a câștigat energie mecanică (potențială) proporțională cu munca câmpului. Demonul lui Maxwell într-un astfel de sistem era observatorul și instrumentele sale științifice, a căror funcționare necesită energie. Această din urmă împrejurare nu permite încălcarea a doua lege a termodinamicii. Spre deosebire de oamenii de știință japonezi, colegii lor din Finlanda, Rusia (Ivan Khaimovich de la Institutul de Fizică a Microstructurilor al Academiei Ruse de Științe) și SUA au creat pentru prima dată nu o mașină Szilard electromecanică, ci complet electronică (demonul autonom al lui Maxwell) .

Sistemul se bazează pe un tranzistor cu un singur electron, care formează o mică insulă de cupru conectată la două terminale supraconductoare din aluminiu. Demonul lui Maxwell controlează mișcarea electronilor de diferite energii într-un tranzistor. Când particula se află pe insulă, demonul o atrage cu o încărcare pozitivă. Dacă un electron părăsește insula, demonul îl respinge cu o sarcină negativă, ceea ce face ca temperatura tranzistorului să scadă și să crească temperatura demonului.

Demonul efectuează toate manipulările în mod autonom (comportamentul său este determinat de tranzistor), iar schimbările de temperatură indică o corelație între acesta și sistem, așa că pare că demonul lui Maxwell știe despre starea sistemului și este capabil să-l controleze. Demonul electronic face posibilă efectuarea unui număr mare de măsurători într-o perioadă scurtă de timp, iar temperaturile scăzute din sistem fac posibilă înregistrarea unor modificări extrem de mici ale acestuia. De asemenea, acest sistem nu încalcă a doua lege a termodinamicii și este în concordanță cu ideea intuitivă că informațiile pot fi folosite pentru a lucra.

De ce au nevoie oamenii de știință de astfel de cercetări? Pe de o parte, ele prezintă un clar interes academic, deoarece permit studiul fenomenelor microscopice în termodinamică. Pe de altă parte, ele arată cât de importantă este producția de entropie din informațiile primite de demon. Acesta este exact ceea ce autorii studiului cred că poate fi util pentru proiectarea qubiților (analogi cuantici ai biților clasici) ale computerelor cuantice, chiar și în ciuda progresului emergent în calculul reversibil, o poveste despre care depășește scopul acestui articol.

Cum poți obține energie din informații? Până de curând, doar un demon era capabil de asta - o creatură fantastică inventată în 1867 de marele fizician James Maxwell pentru a ilustra paradoxul celei de-a doua legi a termodinamicii. Acum, oamenii de știință japonezi sunt mai aproape de a dezvolta un astfel de model experimental. În viitor, ei speră să creeze nanomașini care se vor „hrăni” cu informații. Lucrările oamenilor de știință sunt publicate Fizica naturii.

demonul este „capabil să urmeze traiectoria fiecărei molecule și să efectueze acțiuni complet inaccesibile pentru noi”.

Cu alte cuvinte, demonul este capabil să distingă și să sorteze moleculele individuale. Cum să extragi energie din această abilitate? Să ne imaginăm un vas împărțit de o partiție în două părți (în figură). Vasul este umplut cu două tipuri de molecule: particulele „fierbinte” (întunecate în figură) se mișcă mai repede și particulele „reci” (luminoase în figură) se mișcă mai încet. Într-o stare de echilibru (partea superioară a figurii), moleculele sunt amestecate, așa cum cere cea de-a doua lege a termodinamicii: orice sistem în stare izolată tinde spre entropie maximă, adică dezordine maximă.

Ilustrație a lucrării „demonului lui Maxwell” //nanometr.ru

Cu toate acestea, există o gaură în despărțire pe care același demon o poate deschide și închide. Are capacitatea descrisă mai sus, adică distinge particulele „fierbinți” de cele „reci”. Prin urmare, poate „funcționa” astfel încât toate particulele „fierbinte” să fie în dreapta partiției, iar cele „reci” să fie la stânga. Pentru a face acest lucru, el va permite particulelor browniene care se deplasează (aleatoriu) „fierbinte” din partea stângă să depășească partiția, dar nu din partea dreaptă (și să facă opusul cu particulele „reci”). Ca urmare, o stare ordonată va ieși dintr-o stare dezordonată, ceea ce contrazice legea a doua a termodinamicii. Demonul lui Maxwell, folosind doar informații despre calitatea particulelor, va crea energie datorită diferenței de temperatură din cele două părți ale vasului, care poate fi apoi folosită.

Astfel,

inițial părea că demonul a primit energie „din nimic” și a creat o mașină cu mișcare perpetuă.

Cu toate acestea, paradoxul a fost rezolvat, deoarece demonul însuși trebuie să cheltuiască o anumită energie pentru a obține informații despre particulele care se mișcă haotic. Prin urmare, aici nu există nicio încălcare a legilor termodinamicii: energia ia naștere din munca făcută de demon.

Într-un fel sau altul, nimeni nu a reușit să creeze un model de lucru fizic al unui demon și să arate cum funcționează.

Oamenii de știință japonezi au raportat însă în ultimul număr al revistei Nature Physics succesul unui astfel de experiment. Au creat un „demon” în miniatură folosind o minge de polimer și câmp electric.

Experimentul a folosit două margele din polistiren, un plastic comun, cu un diametru de 0,3 microni (300 nm). Unul dintre ele a fost fixat pe o suprafață de sticlă, iar al doilea a fost poziționat astfel încât să se poată roti liber în jurul primei. Întregul sistem a fost scufundat în lichid. Ca urmare a mișcării haotice a moleculelor lichide, sistemul s-a rotit cu frecvență egală atât în ​​sensul acelor de ceasornic, cât și în sens invers acelor de ceasornic (datorită dimensiunilor sale mici, mingea a „simțit” cu succes fluctuațiile lichidului).

Apoi a fost aplicat un câmp electric suplimentar lichidului, care a conferit un cuplu sistemului de bile. Imaginea rotației sistemului a fost păstrată. Deși în unele cazuri energia mișcării haotice a particulelor lichide a fost suficientă pentru a întoarce mingea împotriva direcției câmpului electric, cel mai adesea sistemul a urmat cuplul care i-a fost transmis de câmp.

„demonul” însuși a apărut pe „scenă” sub forma unei camere și a unui computer care controlează câmpul electric.

Camera controla rotirea sistemului; De îndată ce sistemul a reușit să reziste în mod independent câmpului electric aplicat, „demonul” din computer și-a schimbat modul, „împingând” ușor sistemul în direcția dorită. Apoi l-a urmat din nou ea însăși, folosind doar forțele mișcării browniene.

În acest fel sistemul rotativ producea energie mecanică. Calculele au arătat că energia produsă este puțin mai mare decât energia câmpului electric aplicat sistemului. „Demonul” avea nevoie doar de informații despre direcția de rotație a sistemului pentru a-l crea. S-a dovedit că atunci când temperatura camerei un bit de informație este capabil să creeze o energie foarte mică de 3x10 -21 jouli.

„Am arătat raportul dintre informații și energia obținute atunci când „demonul” operează și am confirmat principiul fundamental al funcționării acestuia”, a spus unul dintre autorii lucrării, Shoichi Toyabe, ale cărui cuvinte sunt citate de NewScientist.

El a subliniat că energia produsă de sistem este neglijabilă, dar în viitor poate fi folosită pentru alimentarea nanodispozitivelor.