Новые предположения о сущности демона Максвелла

Демон Максвелла — мысленный эксперимент 1867 года, а также его главный персонаж — воображаемое разумное существо микроскопического размера, придуманное британским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом с целью проиллюстрировать кажущийся парадокс второго закона термодинамики.

Исследователям из США удалось влить новое вино в старые меха концепции демона Максвелла – они на теоретическом уровне продемонстрировали, что если демону позволить фиксировать случайную информацию, нарушения второго закона термодинамики не произойдет.

Мысленный эксперимент состоит в следующем: предположим, сосуд с газом разделён непроницаемой перегородкой на две части: правую и левую. В перегородке есть демон Максвелла, который позволяет пролетать быстрым молекулам газа только из левой части сосуда в правую, а медленным молекулам — только из правой части сосуда в левую. Тогда через большой промежуток времени «горячие» молекулы окажутся в правом сосуде, а «холодные» останутся в левом.

Таким образом, получается, что демон Максвелла позволяет нагреть правую часть сосуда и охладить левую без дополнительного подвода энергии к системе. Энтропия для системы, состоящей из правой и левой части сосуда, в начальном состоянии больше, чем в конечном, что противоречит термодинамическому принципу неубывания энтропии в замкнутых системах

Если бы у демона Максвелла был блокнот, нарушения второго закона термодинамики не произошло бы. (Рисунок из Phys. Rev. Lett., 2013, 111 030602)

Обычная попытка разрешить парадокс Максвелла и сохранить второе начало термодинамики заключается в предположении, что сам по себе демон создает больше энтропии, чем теряет система в результате его вмешательства, хотя механизм генерирования энтропии демоном был ясен де до конца. Некоторые физики высказывали предположение, что демон сможет избежать нарушения второго закона термодинамики, если ему будет позволено одновременно с сортировкой молекул записывать случайную информацию. Это обусловлено тем, что случайную информацию можно рассматривать как форму энтропии –энтропии Шеннона (по имени американского математика, впервые описавшего этот тип энтропии – информационной энтропии.

Последнее предположение, высказанное на теоретическом уровне Кристофером Яржински (Christopher Jarzynski) и его коллегами из Университета Мэриленда демонстрирует, как в замкнутой системе без выполнения работы над ней может происходить энтропийный обмен термодинамика-информация. В модели, предложенной исследователями, демон представляет собой «тупое» устройство, которое вносит фиксирует случайный бит информации в регистр памяти всякий раз, когда энергетически пакет переносится из холодной камеры в горячую. Яржински уверен, что эта модель показывает, как энтропия Шеннона, которая связана со случайной информацией, может быть приравнена термодинамической энтропии.

Философ Оуэн Марони (Owen Maroney) из Оксфорда называет работу Яржински «значительным достижением», поясняя, что теперь, по крайней мере на теоретическом уровне можно исключить, что демону, преобразующему термодинамическую энтропию в информационную, не требуется внешняя подпитка энергией.