Демон Максвелла

Балда · 07.02.2013, 07:07

Это обладающий интеллектом сортировщик молекул,
действующий как вечный двигатель
и подрывающий основы термодинамики.

Суть эксперимента / парадокса

Демон появился в 1871 г. в книге Джеймса Максвелла «Теория теплоты». Для уточнения Второго начала термодинамики («невозможен процесс, при котором теплота переходила бы самопроизвольно от тел более холодных к телам более нагретым») Максвел предложил следующий мысленный эксперимент.
Герметичный сосуд разделён на две части, заполненные газом. Отверстие в непроницаемой перегородке контролирует существо, которое пропускает быстрые (горячие) молекулы только из левой части сосуда в правую, а медленные (холодные) — в обратном направлении. Таким образом правая часть сосуда нагревается, а левая охлаждается, система упорядочивается по сравнению с исходным состоянием, и второе начало термодинамики нарушается.
Разницу температур можно использовать для получения работы, и, если существо будет сортировать молекулы вечно, получится вечный двигатель.
Этого микроскопического вахтёра, не требующего платы за труд, физики назвали «демоном Максвелла». То же имя получил и сам мысленный эксперимент.
Позже выяснилось, что плата в виде энергии демону всё-таки требуется, и Второе начало термодинамики может с облегчением вздохнуть.
Маргинали

Контраргументы

Оказалось, чтобы демон Максвелла заработал, ему самому требуется энергопитание в виде притока фотонов, необходимых для освещения приближающихся молекул и их просеивания. Кроме того, просеивая молекулы, демон и дверца должны вступать с ними во взаимодействие, в результате чего они сами будут получать от них тепловую энергию и наращивать свою энтропию. В результате суммарная энтропия системы всё равно уменьшаться не будет.
Убедительный контраргумент против возможности существования демона-вахтёра появился вскоре после зарождения квантовой механики. Оказалось, что точно измерять скорость и определять местонахождение молекул, а следовательно, сортировать их, демон не может в силу принципа неопределенности Гейзенберга, а потому он не представляет угрозы второму началу термодинамики.
Другой веский аргумент предложила компьютерная эра. Если представить демона Максвелла как управляющую дверцей компьютерную автоматизированную систему, производящую побитовую обработку входящей информации о скорости и координатах приближающихся молекул, то окажется, что пропустив или отклонив молекулу, система должна произвести сброс прежней упорядоченной информации. Это равносильно повышению энтропии на величину, равную снижению энтропии в результате упорядочивания газа при пропускании или отклонении молекулы, информация о которой стерта из оперативной памяти компьютерного демона. Сам компьютер, к тому же, греется, так что и в такой модели в замкнутой системе, состоящей из газовой камеры и автоматизированной пропускной системы, энтропия не убывает, и второй закон термодинамики выполняется [ссылка].

Интерпретации

Человек как демон Максвелла

В работах Винера Н. по кибернетике обнаруживаются следующие рассуждения.
Демон способен действовать лишь на основании принимаемой информации, которая представляет собой отрицательную энтропию. Информацию нельзя получить без воздействия на энергию частицы. Поэтому система, находящаяся в статистическом равновесии, должна находиться в равновесии как по отношению к энтропии, так и по отношению к энергии. В конечном счете максвеллов демон будет получать большое число малых впечатлений, пока не впадет в «головокружение», потеряв способность к ясным восприятиям и не перестанет действовать.
Однако он может долго продержаться в метастабильном состоянии, близком к состоянию энзима, уменьшающего энтропию, пусть не разделением быстрых и медленных частиц, а каким-нибудь другим эквивалентным процессом. Мы вполне можем рассматривать живые организмы, как и самого Человека, в этом свете [ссылка].

Интеллект как демон Максвелла

Согласно мнению Назаретяна А.П. (довольно-таки, как бы это сказать, своеобразному), по-настоящему оригинальный результат рассуждения Максвелла заключается в том, что он «впервые сформулировал на физическом языке идею управления (ср. [Поплавский Р.П., 1981]) и показал, как целеустремленный субъект, не ущемляя законы природы, но используя наличную информацию, в принципе способен получать полезный энергетически выраженный эффект, сколь угодно превышающий сумму затрат».
Субъект, обладающий интеллектом, который превосходит по информационной мощности интеллект остальных элементов системы, выступает по отношению к ней как аналог демона Максвелла. Такую роль играют живое вещество по отношению к физическому миру Земли, культура по отношению к биосфере, племенные союзы неолита по отношению к палеолитическому окружению, городские цивилизации по отношению к архаическим обществам, осевые культуры по отношению к доосевым, индустриальные страны по отношению к колониям и т.д.
Для ясности картины стоит упомянуть, что под интеллектом в книге Назаретяна имеется в виду «модель мира с высоким уровнем внутренней сложности и динамизма; высокоспециализированный орган антиэнтропийной активности, обеспечивающий регулярное перемещение энергии из зоны сравнительно большего равновесия в зону меньшего равновесия и тем самым поддержание устойчивого неравновесия. В последнем значении, зачаточные формы И. присущи всем живым организмам и биосфере в целом» [ссылка].

Демон Максвелла и информация

Насколько состоятельны построения, оперирующие демоном и информацией, позволяет понять Чернавский Д.С., подчёркивающий необходимость различения макро- и микроинформации. Микроинформация, пишет он, существенно отличается от макроинформации, поскольку не имеет важного для информации свойства фиксируемости — она незапоминаема.
Леон Бриллюен показал, что для фиксации скорости молекулы, т.е. получения информации, демону нужно заплатить энергией. Стало ясно, что демон совершает работу и как раз такую, которая необходима для охлаждения одого тела и нагревания другого. По существу любой домашний холодильник работает как демон.
При этом демон получает информацию равную уменьшению энтропии. Так возникло утверждение: "информация есть негоэнтропия". Приставку "микро" при этом по недосмотру опустили, а зря, поскольку среди физиков — последователей Бриллюена — демон и слово "негоэнтропия" как синоним информации, стали часто употребляться — возник миф о негоэнтропии.
Между тем Бриллюэн не приписывал любой информации свойства негоэнтропии и ограничивал свое рассмотрение только той частью информации, которая связана с микросостояниями; как раз для неё в отечественной литературе принят термин "микроинформация" [ссылка].

Террор как пособник демона Максвелла

В «Социокультурный словарь» А.Ахиезера герой статьи также попал. Здесь он служит метафорой способности сообщества «открывать возможность для принятия из окружающей среды энергии, ресурсов, людей, способствующих укреплению медиатора сообщества, и одновременно препятствовать отливу этих сил. Практически уход людей из сообществ можно предотвратить, если каким-то образом помешать людям вступать в организационные связи вне и независимо от медиатора. Это можно сделать посредством террора, который позволяет демону Максвелла держать двери закрытыми для выхода» [ссылка].

Демон Максвелла во плоти

Своеобразный «демон Максвелла», который отделяет возбужденные молекулы с большой энергией от невозбужденных, используется в работе газового лазера [ссылка].
Вообще, лазеры широко используются для охлаждения и пленения атомов и молекул [ссылка]. Вместо перепада температур демон создаёт перепад давлений, который можно утилизировать в виде работы. Лазеры, однако, тоже требуют питания и совершают работу, что вряд ли способствует уменьшению суммарной энтропии [ссылка].
В 2010 г. японские физики рассмотрели работу машины Силарда, которая иллюстрирует идею демона Максвелла, в квантовом случае [ссылка]. Законов природы установка не нарушает, поскольку для работы «демона» (камеры, системы коррекции напряжения) необходима энергия, но японцы подчёркивают, что опыт впервые на практике доказал реальность теплового насоса — демона Максвелла, теоретически обоснованного Лео Сцилардом в 1929 году. Такая машина извлекает энергию из изотермической окружающей среды и преобразует её в работу.
Кроме того, новый эксперимент позволил проверить уравнение Ярзинского (Jarzynski equality), описывающее преобразование информации в энергию. Энергия, производимая системой, ничтожно мала, однако в будущем может быть использована для питания наноустройств.

Существует одноимённый проект, созданный, чтобы помочь школьникам интуитивно почувствовать статистическую физику [ссылка].

Можно взглянуть на возможный облик демона Максвелла:
Очевидно, что невооруженным глазом его не увидеть – только с помощью электронного микроскопа. Возможно, он выглядит так.

Изображение было получено во время настройки микроскопа для электронно-лучевой литографии (поэтому использовалось такое высокое напряжение). Объект представлял собой полимерную (ПММА) структуру сложной формы. Интересно отметить, что «демон» гораздо реалистичнее выглядел на экране непосредственно во время съемки, чем на статичной фотографии. Поскольку объект был диэлектрическим, он все время шевелился из-за накапливающегося заряда (белые области на картинке), что визуально выглядело словно «демон» качает головой. Кроме того, стекающий заряд в центре фотографии напоминал языки пламени на голове «демона», а бегущая полоса заряда в правой части фотографии выглядела, словно из ноздрей «демона» идет пар. Наблюдать все это в динамике было весьма забавно.

Из-за постоянных колебания объекта было невозможно получить изображение в лучшем качестве (с более длительным временем набора сигнала) – наверное, демон Максвелла не любит, когда его фотографируют. Изображение представлено без дополнительной обработки.

Образ в литературе

В незабвенном НИИЧАГО из повести «Понедельник начинается в субботу» братьев Стругацких демоны Максвелла, пристроенные к делу администрацией института, открывают и закрывают входные двери.
Также связанный с темой мотив есть в повести «Стажёры», где ваза с водой забрала в себя энергию комнаты, в которой находилась, доведя себя до кипения, а комнату — до выпадения инея.
В произведении «Любой крутой чувак» Пол Ди Филиппо энергия, производимая демонами Максвелла, служит основой политически независимого научно-технического утопичного общества — Земли Максвелла, находящейся на территории Африки.
Демон Максвелла упоминается в «Кибериаде» Станислава Лема как «демон первого рода». Развивая идею, герои создают «демона второго рода», способного извлекать осмысленную информацию из движения молекул воздуха.
Один из героев рассказа Сергея Снегова «Право на поиск» осуществил идею Максвелла и прозывается, соответственно, «Повелителем Демонов Максвелла».
В фэнтези Кристофера Сташефа («Маг при дворе Её Величества», «Маг-целитель», «Маг, связанный клятвой») демон Максвелла, сам себя именующий демоном прочности и выглядящий как парящая в воздухе «бесконечно яркая» точка, вызван заклинанием. Он выполняет желания главного героя, поскольку тот хорошо знает законы физики.
Кен Кизи в своём эссе «Демон Максвелла» использует перенесённый на сферу социологии парадокс для критики западной системы ценностей, заменив «тепло» на «добро», а «холод» на «зло».
В романе Томаса Пинчона «Выкрикивается лот 49» фигурирует «машина Нефастиса», в которой используется демон Максвелла. Чтобы заставить демона работать, следует «пристально глядя на фото Джеймса Максвелла, сосредоточить мысль на одном из цилиндров — правом или левом, и тогда демон именно в этом цилиндре поднимает температуру».
В журнале «Реальность фантастики» №3(55), март 2008г., был опубликован рассказ В.Ночкина «Демон Джеймс Максвелл», доступный ныне на Либрусике.
В научно-фантастическом произведении Г.М. Прашкевича «Демон Сократа» фигурирует всеведущая и всесильная информационная система НУС, как бы представляющая собой демонов Лапласа и Максвелла:

... НУС охватывает определенный район, его мир для нее детерминирован способами, о которых я сейчас говорить не могу. Зная сегодняшние состояния этого мира, мы вполне можем предсказывать будущее. Короче, Козмин приручил лапласовского демона – это был, скажем так, классический период нашей работы. ... А сейчас мы вошли в период, скажем так, квантовый, на нас начинает работать демон Максвелла. Мало знать о катастрофе, которая может нас ждать, следует научиться на нее воздействовать

источник:http://philosophical-bestiary.narod.ru http://www.nanometer.ru

Демон Максвелла

Список последних тем раздела: