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 есть 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 появится 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 сделал. Мысленный эксперимент, разработанный шотландским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом в 1867 году, поставил ученых в тупик на 115 лет . И даже после того, как решение было найдено, физики продолжали использовать «демона Максвелла», чтобы довести законы Вселенной до их пределов.
В мысленном эксперименте Максвелл представил разделение комнаты, наполненной газом, на два отсека, воздвигнув стену с маленькой дверью. Как и все газы, этот состоит из отдельных частиц. Средняя скорость частиц соответствует температуре газа - чем быстрее, тем горячее. Но в любой момент некоторые частицы будут двигаться медленнее, чем другие.
Что, если, предположил Максвелл, крошечное воображаемое существо - демон, как его позже стали называть, - сидело 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 левое отделение будет заполнено медленными холодными частицами, а правое отделение 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», - сказала Лайя Дельгадо Каллико , физик из Королевского колледжа Лондона. «Это парадокс».
Два успеха будут иметь решающее значение для раскрытия демона Максвелла. Первым был американский математик Клод Шеннон, которого считают основоположником теории информации . В 1948 году Шеннон показал, что информационное содержание сообщения может быть определено количественно с помощью того, что он назвал информационной энтропией. «В 19 веке об информации никто не знал», - сказал Такахиро Сагава , физик из Токийского университета. «Современное понимание демона Максвелла было установлено работами Шеннон».
Второй важной частью головоломки был принцип стирания. В 1961 году 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, выбрасываемое в окружающую среду, и соответствующему увеличению энтропии. Принцип стирания Ландауэра обеспечил заманчивую связь между информацией и термодинамикой. «Информация носит физический характер», - заявил он позже .
В 1982 году американский физик Чарльз Беннетт сложил кусочки головоломки воедино . 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 квантовой оптики и квантовой информации в Вене. Необходимость демона освободить место для большего количества информации неумолимо вела к чистому увеличению беспорядка.
Затем, в 21 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.