100 демонов и монстров. Демон Максвелла

Я включил в книгу данную мыслеформу (не имеющую никакого отношения к демонам в общепринятом понимании) по чисто личным причинам. Эта мыслеформа (в отличие от всех  прочих демонов) мне близка в силу моего первого образования – теоретическая физика.

Строго говоря, Демон Максвелла – это в большей степени мысленный эксперимент 1867 года, чем его главный персонаж — воображаемое разумное существо микроскопического размера, придуманное британским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом с целью проиллюстрировать кажущийся парадокс Второго начала термодинамики.

Максвелл (если кто не знает – скорее всего, не знает) –  один из величайших учёных-физиков (ИМХО, существенно круче Эйнштейна в смысле вклада в развитие науки).

Ибо заложил основы современной классической электродинамики (уравнения Максвелла), ввёл в физику понятия тока смещения и электромагнитного поля, получил ряд следствий из своей теории (предсказание электромагнитных волн, электромагнитная природа света, давление света и другие).

Один из основателей кинетической теории газов (установил распределение молекул газа по скоростям). Одним из первых ввёл в физику статистические представления, показал статистическую природу второго начала термодинамики, получил ряд важных результатов в молекулярной физике и термодинамике (термодинамические соотношения Максвелла, правило Максвелла для фазового перехода жидкость — газ и другие).

Пионер количественной теории цветов; автор трёхцветного принципа цветной фотографии. Среди других работ Максвелла — исследования по механике (фотоупругость, теорема Максвелла в теории упругости, работы в области теории устойчивости движения, анализ устойчивости колец Сатурна), оптике, математике. Кроме того, он много внимания уделял популяризации науки, сконструировал ряд научных приборов. И так далее, и так далее…

Мысленный эксперимент состоит в следующем: предположим, сосуд с газом разделён непроницаемой перегородкой на две части: правую и левую. Молекулы хаотично движутся (совершая тепловое движение).

В перегородке есть отверстие с устройством (так называемый демон Максвелла), которое позволяет пролетать быстрым (горячим) молекулам газа только из левой части сосуда в правую, а медленным (холодным) молекулам — только из правой части сосуда в левую (демон «открывает» и «закрывает» перегородку перед молекулами, оценивая их скорость).

Тогда через большой промежуток времени «горячие» (быстрые) 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

Парадокс Максвелла впервые был разрешён венгерско-американским физиком Лео Силардом (Сциллардом) в 1929 году. Парадокс разрешается, если рассмотреть замкнутую систему, включающую в себя демона Максвелла и сосуд.

Для функционирования демона Максвелла необходима передача ему энергии от стороннего источника. За счёт этой энергии и производится разделение горячих и холодных молекул в сосуде, то есть переход в состояние с меньшей энтропией.

С развитием теории информации было установлено, что процесс измерения может и не приводить к увеличению энтропии при условии, что он является термодинамически обратимым.

Однако в этом случае демон должен запоминать результаты измерения скоростей (стирание их из памяти демона делает процесс необратимым). Поскольку память конечна, в определённый момент демон вынужден стирать старые результаты, что и приводит в конечном итоге к увеличению энтропии всей системы в целом].

В 2010 году этот мысленный эксперимент в реальности удалось воплотить физикам из университетов Тюо и Токийского университета. В 2015 году автономный искусственный демон Максвелла был реализован в виде одноэлектронного транзистора со сверхпроводящими алюминиевыми выводами.