Πώς ο Δαίμονας του Μάξγουελ συνεχίζει να τρομάζει τους επιστήμονες

Επανεκτύπωση με άδεια από Quanta Το ιστολόγιο Abstractions του περιοδικού.

Το σύμπαν ποντάρει στην αταξία. Φανταστείτε, για παράδειγμα, να ρίχνετε μια δακτυλήθρα κόκκινη βαφή σε μια πισίνα. Όλα αυτά τα μόρια βαφής θα εξαπλωθούν σιγά σιγά σε όλο το νερό.

Οι φυσικοί ποσοτικοποιούν αυτή την τάση εξάπλωσης μετρώντας τον αριθμό των πιθανών τρόπων που μπορούν να διευθετηθούν τα μόρια της βαφής. Υπάρχει μια πιθανή κατάσταση όπου τα μόρια συνωστίζονται στη δακτυλήθρα. Υπάρχει ένα άλλο όπου, ας πούμε, τα μόρια εγκαθίστανται σε μια τακτοποιημένη συστάδα στον πάτο της πισίνας. Αλλά υπάρχουν αμέτρητα δισεκατομμύρια μεταθέσεις όπου τα μόρια εξαπλώνονται με διαφορετικούς τρόπους σε όλο το νερό. Εάν το σύμπαν επιλέξει τυχαία από όλες τις πιθανές καταστάσεις, μπορείτε να στοιχηματίσετε ότι θα καταλήξει σε μια από τις απέραντες άτακτες πιθανότητες.

Με αυτόν τον τρόπο, η αδυσώπητη αύξηση της εντροπίας ή της διαταραχής, όπως ποσοτικοποιείται από τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής, αποκτά μια σχεδόν μαθηματική βεβαιότητα. Οπότε φυσικά οι φυσικοί προσπαθούν συνεχώς να το σπάσουν.

Ένα σχεδόν το έκανε. Ένα σκεπτικό πείραμα που επινοήθηκε από τον Σκωτσέζο φυσικό Τζέιμς Κλερκ Μάξγουελ το 1867, αφύπνισε τους επιστήμονες για 115 χρόνια. Και ακόμη και μετά την εύρεση λύσης, οι φυσικοί συνέχισαν να χρησιμοποιούν τον «δαίμονα του Μάξγουελ» για να ωθήσουν τους νόμους του σύμπαντος στα όριά τους.

Στο πείραμα σκέψης, ο Μάξγουελ φαντάστηκε να χωρίζει ένα δωμάτιο γεμάτο αέριο σε δύο διαμερίσματα στήνοντας έναν τοίχο με μια μικρή πόρτα. Όπως όλα τα αέρια, έτσι και αυτό αποτελείται από μεμονωμένα σωματίδια. Η μέση ταχύτητα των σωματιδίων αντιστοιχεί στη θερμοκρασία του αερίου—το ταχύτερο είναι θερμότερο. Αλλά ανά πάσα στιγμή, ορισμένα σωματίδια θα κινούνται πιο αργά από άλλα.

Τι θα γινόταν αν, πρότεινε ο Μάξγουελ, ένα μικροσκοπικό φανταστικό πλάσμα —ένας δαίμονας, όπως ονομάστηκε αργότερα— καθόταν στην πόρτα. Κάθε φορά που έβλεπε ένα ταχέως κινούμενο σωματίδιο να πλησιάζει από την αριστερή πλευρά, άνοιγε την πόρτα και το άφηνε στο δεξιό διαμέρισμα. Και κάθε φορά που ένα αργοκίνητο σωματίδιο πλησίαζε από τα δεξιά, ο δαίμονας το άφηνε να μπει στο αριστερό διαμέρισμα.

Μετά από λίγο, το αριστερό διαμέρισμα θα ήταν γεμάτο αργά, ψυχρά σωματίδια και το δεξί διαμέρισμα θα ζεσταινόταν. Αυτό το απομονωμένο σύστημα φαίνεται να αναπτύσσεται πιο τακτικά, όχι λιγότερο, επειδή δύο διακριτά διαμερίσματα έχουν μεγαλύτερη τάξη από δύο πανομοιότυπα διαμερίσματα. Ο Μάξγουελ είχε δημιουργήσει ένα σύστημα που φαινόταν να αψηφά την άνοδο της εντροπίας και συνεπώς τους νόμους του σύμπαντος.

«Προσπάθησε να αποδείξει ένα σύστημα όπου η εντροπία θα μειωνόταν», είπε η Laia Delgado Callico, φυσικός στο King's College του Λονδίνου. "Είναι ένα παράδοξο."

Δύο πρόοδοι θα ήταν κρίσιμες για την επίλυση του δαίμονα του Maxwell. Το πρώτο ήταν από τον Αμερικανό μαθηματικό Claude Shannon, που θεωρείται ο ιδρυτής της θεωρίας της πληροφορίας. Το 1948, ο Shannon έδειξε ότι το περιεχόμενο πληροφοριών ενός μηνύματος μπορούσε να ποσοτικοποιηθεί με αυτό που ονόμασε εντροπία πληροφοριών. «Τον 19ο αιώνα, κανείς δεν γνώριζε πληροφορίες», είπε ο Τακαχίρο Σαγκάουα, φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Τόκιο. "Η σύγχρονη κατανόηση του δαίμονα του Maxwell καθιερώθηκε από το έργο του Shannon."

Το δεύτερο ζωτικό κομμάτι του παζλ ήταν η αρχή της διαγραφής. Το 1961, ο Γερμανοαμερικανός φυσικός Rolf Landauer έδειξε ότι κάθε λογικά μη αναστρέψιμος υπολογισμός, όπως η διαγραφή πληροφοριών από μια μνήμη, θα είχε ως αποτέλεσμα μια ελάχιστη μη μηδενική ποσότητα εργασίας που μετατρέπεται σε θερμότητα που απορρίπτεται στο περιβάλλον και αντίστοιχη αύξηση της εντροπίας. Η αρχή της διαγραφής του Landauer παρείχε μια δελεαστική σύνδεση μεταξύ της πληροφορίας και της θερμοδυναμικής. "Οι πληροφορίες είναι φυσικές", δήλωσε αργότερα.

Το 1982, ο Αμερικανός φυσικός Τσαρλς Μπένετ συνέθεσε τα κομμάτια του παζλ. Συνειδητοποίησε ότι ο δαίμονας του Μάξγουελ ήταν στον πυρήνα μια μηχανή επεξεργασίας πληροφοριών:Χρειαζόταν να καταγράφει και να αποθηκεύει πληροφορίες για μεμονωμένα σωματίδια προκειμένου να αποφασίζει πότε να ανοίγει και να κλείνει την πόρτα. Περιοδικά θα πρέπει να διαγράφει αυτές τις πληροφορίες. Σύμφωνα με την αρχή της διαγραφής του Landauer, η αύξηση της εντροπίας από το σβήσιμο θα αντιστάθμιζε περισσότερο από τη μείωση της εντροπίας που προκαλείται από την ταξινόμηση των σωματιδίων. «Πρέπει να πληρώσετε», είπε ο Gonzalo Manzano, φυσικός στο Ινστιτούτο Κβαντικής Οπτικής και Κβαντικών Πληροφοριών στη Βιέννη. Η ανάγκη του δαίμονα να κάνει χώρο για περισσότερες πληροφορίες οδήγησε αναπόφευκτα σε καθαρή αύξηση της αταξίας.

Στη συνέχεια, στον 21ο αιώνα, με το πείραμα σκέψης λυμένο, άρχισαν τα πραγματικά πειράματα. "Η πιο σημαντική εξέλιξη είναι ότι μπορούμε τώρα να συνειδητοποιήσουμε τον δαίμονα του Maxwell στα εργαστήρια", είπε ο Sagawa.

Το 2007 οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν μια πύλη με φως για να δείξουν την ιδέα του δαίμονα του Μάξγουελ σε δράση. Το 2010, μια άλλη ομάδα επινόησε έναν τρόπο να χρησιμοποιήσει την ενέργεια που παράγεται από τις πληροφορίες του δαίμονα για να πείσει μια χάντρα στην ανηφόρα. και το 2016 οι επιστήμονες εφάρμοσαν την ιδέα του δαίμονα του Μάξγουελ σε δύο διαμερίσματα που δεν περιείχαν αέριο, αλλά φως.

«Αλλάξαμε τους ρόλους της ύλης και του φωτός», είπε ο Vlatko Vedral, φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης και ένας από τους συν-συγγραφείς της μελέτης. Οι ερευνητές κατάφεραν τελικά να φορτίσουν μια πολύ μικρή μπαταρία.

Άλλοι αναρωτήθηκαν εάν μπορεί να υπάρχουν λιγότερο απαιτητικοί τρόποι χρήσης πληροφοριών για την εξαγωγή χρήσιμης εργασίας από ένα παρόμοιο σύστημα. Και έρευνα που δημοσιεύτηκε τον Φεβρουάριο του 2021 στο Physical Review Letters φαίνεται να έχει βρει τρόπο να το κάνει. Το έργο κάνει τον δαίμονα σε τζογαδόρο.

Η ομάδα, με επικεφαλής τον Manzano, αναρωτήθηκε αν υπήρχε τρόπος να εφαρμοστεί κάτι σαν τον δαίμονα του Maxwell, αλλά χωρίς τις απαιτήσεις πληροφοριών. Φαντάστηκαν ένα σύστημα δύο διαμερισμάτων με πόρτα, όπως πριν. Αλλά σε αυτή την περίπτωση, η πόρτα θα άνοιγε και θα έκλεινε μόνη της. Μερικές φορές τα σωματίδια χωρίζονταν τυχαία σε θερμότερα και ψυχρότερα διαμερίσματα. Ο δαίμονας μπορούσε μόνο να παρακολουθήσει αυτή τη διαδικασία και να αποφασίσει πότε θα απενεργοποιούσε το σύστημα. Θεωρητικά, αυτή η διαδικασία θα μπορούσε να δημιουργήσει μια μικρή ανισορροπία θερμοκρασίας, και επομένως μια χρήσιμη μηχανή θερμότητας, αν ο δαίμονας ήταν έξυπνος σχετικά με το πότε να τερματίσει το πείραμα και να κλειδώσει οποιαδήποτε ανισορροπία θερμοκρασίας στη θέση του, όπως ένας έξυπνος παίκτης σε μια καυτή σειρά ξέρει πότε να φύγει το τραπέζι. «Μπορείτε είτε να παίξετε όλη τη νύχτα στο τραπέζι της ρουλέτας είτε μπορείτε να σταματήσετε αν κερδίσετε 100 $», είπε ο Édgar Roldán, φυσικός στο Διεθνές Κέντρο Θεωρητικής Φυσικής στην Ιταλία, ο οποίος ήταν συν-συγγραφέας της μελέτης. «Λέμε ότι δεν χρειαζόμαστε μια τόσο περίπλοκη συσκευή όπως ο δαίμονας του Maxwell για να εξαγάγουμε έργο στον δεύτερο νόμο. Μπορούμε να είμαστε πιο χαλαροί». Στη συνέχεια, οι ερευνητές εφάρμοσαν έναν τέτοιο δαίμονα τζόγου σε μια νανοηλεκτρονική συσκευή, για να δείξουν ότι ήταν δυνατό.

Ιδέες όπως αυτή θα μπορούσαν να αποδειχθούν χρήσιμες για το σχεδιασμό πιο αποτελεσματικών θερμικών συστημάτων, όπως τα ψυγεία, ή ακόμα και για την ανάπτυξη πιο προηγμένων τσιπ υπολογιστών, τα οποία μπορεί να πλησιάζουν ένα θεμελιώδες όριο που υπαγορεύεται από την αρχή του Landauer.

Προς το παρόν, ωστόσο, οι νόμοι μας για το σύμπαν είναι ασφαλείς, ακόμη και όταν τίθενται υπό τον μεγαλύτερο έλεγχο. Αυτό που άλλαξε είναι η κατανόησή μας για τις πληροφορίες στο σύμπαν, και μαζί της η εκτίμησή μας για τον δαίμονα του Μάξγουελ, πρώτα ένα ενοχλητικό παράδοξο και τώρα μια ανεκτίμητη έννοια — μια έννοια που βοήθησε να φωτιστεί η αξιοσημείωτη σύνδεση μεταξύ του φυσικού κόσμου και των πληροφοριών. P>

Ο Jonathan O'Callaghan είναι ανεξάρτητος δημοσιογράφος του χώρου και της επιστήμης με έδρα το Λονδίνο. Γράφει τακτικά για έναν αριθμό εκδόσεων, συμπεριλαμβανομένων των  The New York Times,  Scientific American,  New Scientist, Forbes, και Ενσύρματη. Μπορείτε να διαβάσετε περισσότερα από τη δουλειά του ή να επικοινωνήσετε στο  jonathanocallaghan.com ή βρείτε τον στο Twitter  @Astro_Jonny.