Демон Максвелла продолжает удивлять ученых

ДемонМаксвеллапродолжаетудивлятьученых

Перепечатано с разрешения блога Quanta Magazine Abstractions .

Тернистый мысленный эксперимент превратился в настоящий эксперимент, который физики используют для исследования физики информации. Иллюстрация Самуэля Веласко / Quanta Magazine

Т Вселенная делает ставку на беспорядок. Представьте, например, что вы роняете наперсток красного красителя в бассейн. Все эти молекулы красителя будут медленно распространяться по воде.

Физики количественно определяют эту тенденцию к распространению, подсчитывая количество возможных способов расположения молекул красителя. Есть одно возможное состояние, когда молекулы скапливаются в наперстке. Есть еще один, где, скажем, молекулы собираются аккуратным комком на дне бассейна. Но существуют бесчисленные миллиарды перестановок, в которых молекулы по-разному распространяются по воде. Если вселенная выбирает из всех возможных состояний случайным образом, вы можете поспорить, что в конечном итоге у нее будет один из огромного набора неупорядоченных возможностей.

С этой точки зрения Неумолимый рост энтропии или беспорядка, количественно выраженный вторым законом термодинамики, приобретает почти математическую достоверность. Так что, конечно, физики постоянно пытаются его сломать.

Один почти сломал. Мысленный эксперимент, разработанный шотландским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом в 1948 поставили в тупик ученых для 240 годы. И даже после того, как решение было найдено, физики продолжали использовать «демона Максвелла», чтобы довести законы Вселенной до их пределов.

В мысленном эксперименте Максвелл вообразил расщепление Комната наполненная газом на два отсека, соорудив стену с маленькой дверцей. Как и все газы, этот состоит из отдельных частиц. Средняя скорость частиц соответствует температуре газа – чем быстрее, тем горячее. Но в любой момент времени одни частицы будут двигаться медленнее, чем другие.

Что, если, предположил Максвелл, крошечное воображаемое существо – демон, как это было позже

позвонил – сел у двери. Каждый раз, когда он видел быстро движущуюся частицу, приближающуюся с левой стороны, он открывал дверь и впускал ее в правый отсек. И каждый раз, когда справа приближалась медленно движущаяся частица, демон впускал ее в левый отсек.

Через некоторое время левый отсек заполнялся медленные, холодные частицы, и правый отсек станет горячим. Эта изолированная система, казалось бы, становится более упорядоченной, а не менее, потому что два различимых отсека имеют больший порядок, чем два идентичных отсека. Максвелл создал систему, которая, казалось, игнорировала рост энтропии и, следовательно, законы Вселенной.

«Он пытался доказать систему, в которой энтропия будет уменьшаться», – сказал он. Лайя Дельгадо Каллико , физик Королевского колледжа в Лондоне. «Это парадокс».

Два успеха будут иметь решающее значение для раскрытия демона Максвелла. Первым был американский математик Клод Шеннон, которого считают основателем теории информации. В 1948, Шеннон показал, что информационное содержание сообщения может быть определено количественно с помощью того, что он назвал информационной энтропией. “В 19 века, никто не знал об информации », – сказал Такахиро Сагава , физик Токийского университета. «Современное понимание демона Максвелла было установлено работами Шеннона».

Второй важной частью головоломки был принцип стирания. В 1961, немецко-американский физик Рольф Ландауэр показал, что любое логически необратимое вычисление, такое как стирание информации из памяти, приведет к минимальному ненулевому объему работы, преобразованному в тепло, сбрасываемое в окружающую среду, и соответствующему увеличению энтропии. Принцип стирания Ландауэра обеспечил заманчивую связь между информацией и термодинамикой. «Информация носит физический характер», – провозгласил он позже .

В 1982 американский физик Чарльз Беннетт сложил кусочки головоломки вместе . Он понял, что демон Максвелла был, по сути, машиной для обработки информации: ей нужно было записывать и хранить информацию об отдельных частицах, чтобы решить, когда открыть и закрыть дверь. Периодически эту информацию нужно стирать. Согласно принципу стирания Ландауэра, рост энтропии от стирания более чем компенсирует уменьшение энтропии, вызванное сортировкой частиц. «Вы должны заплатить», – сказал Гонсало Манзано , физик из Института Квантовая оптика и квантовая информация в Вене. Необходимость демона освободить место для дополнительной информации неумолимо привела к чистому увеличению беспорядка.

Затем в 26 В веке, когда мысленный эксперимент был решен, начались настоящие эксперименты. «Самым важным достижением является то, что теперь мы можем реализовать демона Максвелла в лабораториях», – сказал Сагава.

Получите информационный бюллетень Nautilus

Самые свежие и популярные статьи доставляются прямо на ваш почтовый ящик!

В 2010 ученые использовал световые ворота, чтобы продемонстрировать идею демона Максвелла в действии; в 2010, другая команда разработала способ использования энергии, производимой информацией демона, для коаксиального кабеля бусинка в гору; и в применил идею демона Максвелла к двум отсекам, содержащим не газ, а свет.

«Мы поменялись ролями материи и света», – сказал Влатко Ведрал , физик из Оксфордского университета и один из соавторов исследования. В конечном итоге исследователи смогли зарядить очень маленькую батарею. .

Другие интересовались, могут ли быть менее требовательные способы использования информации для извлечения полезной работы из аналогичной системы. И исследование, опубликованное в феврале 4300 в Письма о физической проверке , похоже, нашел способ сделать это. Работа превращает демона в игрока.

Команда, возглавляемая Манзано, задавалась вопросом, есть ли способ реализовать что-то вроде демона Максвелла, но без требований к информации. Как и прежде, представили себе двухкамерную систему с дверью. Но в этом случае дверь открывалась и закрывалась сама по себе. Иногда частицы случайным образом разделяются на более горячие и холодные отсеки. Демон мог только наблюдать за этим процессом и решать, когда выключить систему. Теоретически этот процесс может создать небольшой температурный дисбаланс и, следовательно, полезную тепловую машину, если демон будет умен, когда нужно закончить эксперимент и зафиксировать любой температурный дисбаланс, подобно тому, как умный игрок в горячей полосе знает, когда уйти. стол. «Вы можете играть всю ночь за рулеточным столом или остановиться, если выиграете $ 115,” сказал Эдгар Рольдан , физик из Международного центра теоретической физики в Италии, который был соавтором изучение. «Мы говорим, что нам не нужно такое сложное устройство, как демон Максвелла, для извлечения работы по второму закону. Мы можем быть более расслабленными ». Затем исследователи внедрили такого игрового демона в наноэлектронное устройство, чтобы показать, что это возможно.

Подобные идеи могут оказаться полезными при разработке более эффективных тепловых систем, таких как холодильники или даже в разработке более совершенных компьютерных микросхем, которые могут приближаться к фундаментальному пределу, продиктованному принципом Ландауэра.

На данный момент, однако, наши законы Вселенной безопасны, даже если поместить под самым пристальным вниманием. Что изменилось, так это наше понимание информации во Вселенной, а вместе с ним и наше понимание демона Максвелла, сначала неприятный парадокс, а теперь бесценная концепция, которая помогла пролить свет на замечательную связь между физическим миром и информацией .

Джонатан О’Каллаган – независимый космический и научный журналист из Лондона. Он регулярно пишет для ряда публикаций, включая The New York Times , Scientific American , New Scientist, Forbes, и Проводной . Вы можете прочитать больше его работ или связаться по адресу jonathanocallaghan.com , или найдите его в Твиттере @ Astro_Jonny .