To παράδοξο με τον δαίμονα του Maxwell

Posted on 06/06/2017

0


Ο Maxwell ήταν ο πρώτος που αναρωτήθηκε πως είναι δυνατόν ένας νόμος της φύσης να εξαρτάται από την γνώση ή η την άγνοια – των θέσεων και των ταχυτήτων των μορίων. Αν ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής εξαρτάται από τις υποκειμενικές πληροφορίες κάποιου, τότε κατά ποια έννοια είναι αληθής;

Για να αναδείξει αυτόν τον προβληματισμό ο Τζέιμς Κλερκ Μάξγουελ περιέγραψε ένα πείραμα σκέψης στο οποίο ένα oν προικισμένο με ιδιαίτερες ικανότητες – αργότερα ονομάστηκε δαίμονας του Maxwell – χρησιμοποιεί τις γνώσεις του για να μειώσει την εντροπία και να παραβιάσει τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής. Ο δαίμονας γνωρίζει τις θέσεις και τις ταχύτητες κάθε μορίου του αερίου σε ένα δοχείο στο οποίο υπάρχει ένα διαχωριστικό διάφραγμα. Το αέριο στο δοχείο βρίσκεται σε θερμοδυναμική ισορροπία. Στο διάφραγμα υπάρχει ένα μικρό πορτάκι το οποίο μπορεί ο δαίμονας να ανοιγοκλείνει, αφήνοντας να περνούν από την μια πλευρά του δοχείου στην άλλη μόνο τα αργά μόρια. Έτσι ο δαίμων διαχωρίζει το αέριο σε δυο τμήματα με διαφορετικές θερμοκρασίες, το ένα θερμό και το άλλο κρύο, συγκεντρώνοντας την ενέργεια και μειώνοντας την συνολική εντροπία. Τελικά το αρχικά άχρηστο αέριο μπορεί να παράξει έργο. Θυμηθείτε την μηχανή του Carnot, όπου χρειάζεστε ένα θερμό και ένα ψυχρό σώμα για πάρετε ωφέλιμο έργο. Ο δαίμων του Maxwell λοιπόν, αυτό το εξαιρετικά παρατηρητικό και επιδέξιο ον, επιδιώκει να δημιουργήσει μια τρύπα στον 2ο νόμο της θερμοδυναμικής.


H θερμοδυναμική κατέχει μια μοναδική θέση μεταξύ των θεωριών της φυσικής. Oι φυσικοί John Goold et al στην εισαγωγή του άρθρου τους
«The role of quantum information in thermodynamics — a topical review» γράφουν το εξής χαρακτηριστικό: «Αν οι φυσικές θεωρίες ήταν άνθρωποι, η θερμοδυναμική θα ήταν η μάγισσα του χωριού. Οι άλλες θεωρίες την βρίσκουν κάπως παράξενη και διαφορετική, αλλά όλοι πάνε σ’ αυτή για συμβουλές και κανείς δεν τολμά να διαφωνήσει μαζί της».

Έναν αιώνα μετά την εμφάνιση του δαίμονα του Maxwell, ο αμερικανός φυσικός Charles Bennett, βασισμένος στη δουλειά των Leo Szilard και Rolf Landauer, έλυσε το παράδοξο συνδέοντας τη θερμοδυναμική με τη νέα επιστήμη της πληροφορίας. Ο Bennett ισχυρίστηκε ότι η γνώση του δαίμονα είναι αποθηκευμένη στη μνήμη του και η μνήμη πρέπει να καθαριστεί, κάτι για το οποίο απαιτείται έργο. (Το 1961 ο Landauer υπολόγισε ότι σε θερμοκρασία δωματίου χρειάζονται τουλάχιστον 2,9∙10-21 joules ενέργειας σε έναν υπολογιστή για να σβήσει ένα κομμάτι αποθηκευμένων πληροφοριών). Με άλλα λόγια, καθώς ο δαίμονας οργανώνει το αέριο σε θερμό και κρύο μειώνοντας την εντροπία του, ο εγκέφαλός του ξοδεύει ενέργεια και το ισοζύγιο της εντροπίας είναι πάλι θετικό. Η συνολική εντροπία του συστήματος αερίου-δαίμονα αυξάνεται, ικανοποιώντας τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής.

Τα συμπεράσματα αυτά αποκάλυψαν, όπως το διατύπωσε ο Landauer, ότι η «πληροφορία είναι φυσικό χαρακτηριστικό». Όσο περισσότερες πληροφορίες διαθέτετε τόσο περισσότερο έργο μπορείτε να εξαγάγετε. Ο δαίμονας του Maxwell μπορεί να πάρει έργο από το αέριο που είχε παντού την ίδια θερμοκρασία γιατί διαθέτει περισσότερη πληροφορία από τον μέσο χρήστη.

Αλλά απαιτήθηκε άλλο ένα ήμισυ αιώνα και η ανάπτυξη της θεωρίας της κβαντικής πληροφορίας, ένα πεδίο που γεννήθηκε από το κυνήγι του κβαντικού υπολογιστή, ώστε οι φυσικοί να αντιληφθούν πλήρως τις αναπάντεχες συνέπειες.

Αν ενδιαφέρεστε για περισσότερες λεπτομέρειες διαβάστε για την «επανάσταση της κβαντικής θερμοδυναμικής» ΕΔΩ: The Quantum Thermodynamics Revolution

Διαβάστε επίσης:
1. Ο δαίμονας του Maxwell και της πληροφορίας
2. Η συμβολή του δαίμονα του Maxwell στη διερεύνηση των ορίων ισχύος του δεύτερου θερμοδυναμικού αξιώματος και στη διαμόρφωση της αρχής της εντροπίας