В 1867 году на свет появился демон Максвелла, персонаж мысленного эксперимента, призванный демонстрировать парадокс Второго начала термодинамики, который, в частности, запрещает нагрев и охлаждение вещества без вливания энергии извне. Демон же и есть демон, поэтому его цель была в нарушении этого закона в одном, отдельно взятом сосуде с газом)
В мысленном эксперименте Максвелла демон должен был управлять перегородкой, делящей сосуд пополам. Причем таким образом, что горячие молекулы могут пролететь сквозь перегородку только из левой части сосуда в правую, а холодные молекулы — наоборот, из правой в левую. Различает молекулы демон по скорости – горячая молекула движется быстрее. В результате работы демона половина сосуда, в которой оказываются заперты горячие молекулы, будет постепенно нагреваться, а вторая половина с холодными молекулами – остывать.
Казалось бы, парадокс – нагрев осуществляется без вливания энергии извне! Но он разрешается, если учесть, что демон для своей работы также потребляет энергию. Эта энергия и идет на разделение горячих и холодных молекул в сосуде, когда система становится более упорядоченной. В таком случае говорят, что система перешла в состояние с меньшей энтропией – мерой сложности, хаотичности или неопределённости системы.
Развитие теории информации позволило понять, что работа демона Максвелла может и не увеличивать энтропию, если вызванные им изменения системы будут обратимыми. Но для этого демону придется запоминать результаты его действий, чтобы иметь возможность откатить систему назад. С учетом того, что память не может быть бесконечной, в определённый момент демон будет вынужден начать освобождать место для новых записей и стирать старые результаты, что и сделает соответствующие изменения необратимыми, и приведет в конечном итоге к увеличению энтропии всей системы в целом. Получается, что и в этом случае в конечном итоге Второе начало не нарушается.
Первыми реализовали демона Максвелла в виде эксперимента японские ученые из Университетов Тюо и Токио в 2005 году. Сначала они создали для заряженной частицы своеобразную спиральную потенциальную лестницу, по «ступенькам» которой частица случайным образом скачет из-за тепловых колебаний. Скачки вниз происходят чаще, поэтому в среднем частица движется вниз по лестнице. И вот тут на сцену выходит демон Максвелла, который в такой схеме должен будет разрешать частице прыгать только вверх. Тогда частица будет подниматься вверх по лестнице и увеличивать свою энергию, нагреваться, за счет тепловых колебаний и без прямого притока энергии извне.
Технически эксперимент выглядел так. Сначала создали два связанных шарика полистирола диаметром 0.3 микрометра. Потом один из них закрепили на поверхности стекла так, чтобы второй мог вращаться вокруг первого. И всю эту систему погрузили в жидкость, молекулы которой хаотично подталкивали шарики с равной вероятностью как по часовой, так и против часовой стрелки за счет броуновского движения.
На следующем шаге физики создали аналог «лестницы». Для этого один из шариков зарядили и поместили его в слабое электрическое поле, которое создавало ему направленный крутящий момент. Теперь, несмотря на хаотичные толчки молекулы, шарик в среднем двигался туда, куда его толкало поле – «вниз по лестнице».
И, наконец, появляется демон, в роли которого выступили высокоскоростная камера, наблюдающая за шариком, и компьютер, управляющий полем. Теперь каждый раз, когда шарик под ударами молекул жидкости начинал смещаться против поля, компьютер меня поле так, чтобы он мог это сделать, и мешал, когда шарик начинал двигаться по полю. В результате шарик «поднимался по лестнице», увеличивая свою энергию за счёт теплового движения молекул без явного притока энергии извне.
Этот эксперимент показал, что демона Максвелла можно реализовать, контролируя микрочастицу за счет обратной связи, когда положение частицы измеряется, информация об этом сохраняется и используется путем приложения подходящей силы обратной связи. Но в этом опыте есть существенный недостаток – время реакции демона в нем не рассматривалось. А эта характеристика должна влиять на производительность демона и должна обязательно учитываться, если рассматриваются системы, в которых обратная связь срабатывает с задержкой. А именно такие системы обычно и встречаются.
Мне важно Ваше мнение. Если нравится, ставьте лайк, подписывайтесь.