Кто такой этот Демон Максвелла? Фантом, фантазия или реально существующее физическое явление, которое ассоциируется с некоторым существом? Уже сам того, что мы говорим про науку и про физику по идее должен исключать всякого рода странные сущности, но тут всё гораздо интереснее. Давайте разбираться!
Второй закон термодинамики и энтропия
Мы помним, что согласно второму началу термодинамики невозможно создать вечный двигатель. Энергия всегда будет расходоваться на сторонние факторы. Где-то придётся преодолевать силу трения, где-то будет происходить теплоотдача во внешнюю среду вместо превращения её в полезную работу по перемещению поршня. Всё это можно объединить емким предложением - энтропия системы неизбежно будет возрастать.
Отсюда и второй закон термодинамики можно сформулировать чуть проще:
Энтропия системы неизбежно возрастает
Применительно к газам, энтропией уместно называть меру физического беспорядка системы. Невозможна такая система, в которой энтропия будет уменьшаться. Это легко представить исходя из практики - бросьте группу кристалликов марганцовки в стаканчик с водой и увидите, как броуновское движение вызовет диффузию и постепенное разрушение материала.
Тут не в счёт, что каким-то чудом при появлении нашей вселенной произошел обратный процесс. Энтропия наоборот начала уменьшаться, но это пока один из парадоксов физики. В рамках же нашей системы, всегда работает принцип, что энтропия будет возрастать. Потому и двигатель невозможен - ведь если мы упорядочим систему без внешнего подвода энергии или она сама будет упорядочиваться, то одно это позволит сделать полноценный двигатель!
Кто такой этот демон и что он делает?
Для того, чтобы проиллюстрировать парадокс второго начала термодинамики, Максвелл предположил, что может существовать некоторое существо, которое будет искусственно управлять упорядочиванием системы.
Он предложил хитрую модель. Представим, что есть у нас сосуд. В этом сосуде есть перегородка и всё пространство заполнено газом. В перегородке есть отверстие с клапаном. Газ, заполняющий пространство сосуда, состоит из молекул, которые обладают разными энергиями и скоростями. Мы помним, что температура системы зависит от энергии молекул. Чем молекулы быстрее перемещаются в тепловом движении, тем горячее тело.
Некоторая сила, иллюстрируемая демоном, умеет управлять клапаном и пропускает молекулы с высокой энергией в одну часть сосуда, а молекулы с низкой энергией в другую. В итоге очевидно, что одна половина сосуда будет неизбежно нагреваться, а вторая - остывать. Мы получили устройство, которое само может менять температуру только благодаря упорядочиванию частиц! Это и есть вечный двигатель.
Роль демона Максвелла может выполнять любое существо, хоть-таки дрессированная крыса, призрак, орк или специальный механизм. Главное открывать клапан в нужный момент и разделять частицы на холодные и горячие.
Самое важное тут, что без подвода внешней энергии и только с помощью простого устройства или существа можно сделать тепловой двигатель
Но означает ли это, что мысленный эксперимент подтверждает возможность существования вечного двигателя? Не совсем так.
В чём проблема демона?
Ирония здесь в том, что пытаясь продемонстрировать парадокс второго закона, Максвелл сам создал ещё один парадокс. Парадокс демона в том, что тут всё равно присутствует внешний подвод энергии, который позволяет уменьшить энтропию.
Искушенный читатель наверное уже понял, что каким бы этот демон не был, ему нужна энергия. Дрессированную крысу нужно кормить и поить, чтобы она открывала перегородку. Какое-то внешнее устройство нужно запитывать.
В итоге, если рассматривать систему, состоящую только из газа и сосуда, она и правда будет упорядочиваться с понижением энтропии. Если же рассматривать суммарно демона максвелла и такой сосуд, то там очевидно, что сам демон максвелла будет фактором, тратящим энергию. Он и совершает полезную работу по разделению горячего и холодного.
Демон Максвелла существует!
Но не так всё просто. Ученые не могут сойтись во мнениях относительно демона Максвелла. Многие считают, что это вполне справедливое замечание. И мы вновь имеем нерешаемый парадокс. Причем, есть подтверждение реальности существования демона.
Поскольку физика неоднозначно воспринимает понятие информация и с энергией её не связывает, сообщение информации демону не противоречит второму закону.
В 1929 году физик Лео Силард предположил возможность создания двигателя, который был описан в мысленном эксперименте Максвелла. Это устройство называется машиной Силарда. Конструкция построена на том, что сосуд с газом, внутри которого есть два поршня в соединенных друг с другом камерах, изотермически (при постоянной температуре) выдерживается некоторое время. Камеры разделены перегородкой. В результате молекулы перераспределяются таким образом, что в какой-то момент поршень перемещается вниз под их весом. Клапан же в это время закрыт. Остаётся только сообщить клапану информацию. Получили полезную работу без подвода энергии.
Правда вопрос тут в другом. Что делать с информацией :)
В 2018 году рабочую модель машины Силарда всё-таки удалось реализовать! Об этом писали в журнале Nature.
Физики упорядочили систему из 50 атомов цезия, помещенных в трехмерную оптическую ловушку, с помощью реального аналога демона Максвелла.
По сути дела, каждому атому сообщали информацию, о том, где он должен находиться. Атом располагался или в зоне с низкой энергией, или в зоне с высокой энергией. Информация сообщалась частице лазером. В дело вступили законы квантовой физики и описание состояния частицы. В итоге, демон Максвелла получил квантовую реализацию.
Подобные эксперименты продолжались и будут продолжаться. Скажем, в 2020 году ученым удалось продемонстрировать эффект превращения тепла в работу только за счёт сообщения системе информации.
Вот только печально, что реальную проблему так и не решили. Факт того, что технически удалось создать демона Максвелла, никак не приблизил ученых к созданию автономного вечного двигателя. Ведь как и раньше, лазером должен кто-то управлять и лазер нужно как-то запитывать для его функционирования. При рассмотрении системы, состоящей из лазера, камеры и атомов стронция, лазер портит всю малину. Это только в системе атомы-камера оно всё спонтанно.
Так или иначе, мысленный эксперимент Максвелла заслуживает уважения и внимания. Ведь если мы с вами научимся передавать информацию без подвода внешней энергии, то мы создадим вечный двигатель :) Технически это уже становится куда более вероятным, чем во времена Максвелла. Сегодня нам знакома квантовая запутанность и квантовая телепортация. Так, притяжение бозонов вполне может сильно упростить процесс работы. Именно они могут стать ключом.
Обязательно подпишитесь на проект, оцените статью лайком и напишите комментарий! Это поможет развитию канала, а вы не пропустите новые интересные статьи
Советую также прочитать на нашем канале:
-----