Демон Максвелла

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Де́мон Ма́ксвелла — мысленный эксперимент 1867 года, а также его главный персонаж — воображаемое разумное существо микроскопического размера, придуманное британским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом с целью проиллюстрировать кажущийся парадокс Второго начала термодинамики.

Суть парадокса[править | править вики-текст]

Схематическое изображение демона Максвелла

Мысленный эксперимент состоит в следующем: предположим, сосуд с газом разделён непроницаемой перегородкой на две части: правую и левую. 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. 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 (см. Второе начало термодинамики).

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. Детальный разбор парадокса для механической реализации демона (храповик и собачка) приведён в Фейнмановских лекциях по физике, вып. 4, а также в популярных лекциях Фейнмана «Характер физических законов»[1].

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[2][3][4].

В 2010 г. мысленный эксперимент в реальности удалось воплотить физикам из университетов Тюо (яп. 中央大学) и Токийского университета[5][6]

В 2015 г. автономный искусственный демон Максвелла был реализован в виде одноэлектронного транзистора со сверхпроводящими алюминиевыми выводами. Такое устройство позволяет проводить большое количество операций измерения за малый промежуток времени.[7][8][9]

Объяснение парадокса Максвелла[править | править вики-текст]

Парадокс Максвелла впервые был разрешён Лео Силардом в 1929 г.[10] на основе следующего анализа[11].

Демон должен воспользоваться каким-либо измерительным прибором для оценки скоростей молекул, например электрическим фонариком. Поэтому надо рассмотреть энтропию системы, состоящей из газа при постоянной температуре демона и фонарика, включающего заряженную батарейку и электрическую лампочку. Батарейка должна нагревать нить лампы фонарика до высокой температуры с целью получения квантов света с энергией для того, чтобы кванты света распознавались на фоне теплового излучения с температурой

В отсутствие демона энергия , излучаемая лампочкой при температуре поглощается в газе при температуре и в целом энтропия возрастает: так как а

При наличии демона изменение энтропии: Здесь первое слагаемое означает увеличение энтропии при попадании излученного фонариком кванта света в глаз демона, а второе слагаемое означает уменьшение энтропии вследствие уменьшения статистического веса системы на величину что приводит к уменьшению энтропии на величину

Рассмотрим этот процесс подробнее. Пусть сосуд с газом разделен на две части и с температурами Предположим, что демон выбирает быстро движущуюся молекулу с кинетической энергией в области с низкой температурой и направляет её в область После этого он выбирает медленно движущуюся молекулу с кинетической энергией в области с высокой температурой и направляет её в область

Для того, чтобы предварительно выбрать эти две молекулы, демону требуется по меньшей мере два световых кванта, которые приведут при попадании в его глаз к увеличению энтропии

Обмен молекулами приведет к уменьшению полной энтропии Величины и вероятнее всего, малы, и поэтому

Таким образом, полное изменение энтропии будет

Температура демона может быть и много ниже температуры газа При этом он может принимать кванты света с энергией , испускаемые молекулами газа при температуре Тогда приведенные выше рассуждения можно повторить с заменой условий на условия

В популярной культуре[править | править вики-текст]

В художественной литературе[править | править вики-текст]

  • В повести «Понедельник начинается в субботу» братьев Стругацких демоны Максвелла приспособлены администрацией НИИЧАВО открывать и закрывать входные двери института.
  • В рассказе Сергея Снегова «Право на поиск» одного из героев называли «Повелителем Демонов Максвела» «…почему я ношу странную кличку Повелитель Демонов? Я, естественно, поправил: не Повелитель Демонов вообще, а Повелитель Демонов Максвелла… Мне удалось реально осуществить гениальную идею Максвелла».
  • В «Кибериаде» Станислава Лема демон Максвелла упоминается как «демон первого рода». Герои книги создают «демона второго рода», способного извлекать осмысленную информацию из движения молекул воздуха.
  • В фэнтези Кристофера Сташефа «Маг при дворе Её Величества», «Маг-целитель», «Маг, связанный клятвой» демон Максвелла вызван заклинанием и по свойствам напоминает волшебного джинна. Он соглашается выполнять желания главного героя, потому что тот хорошо знает законы физики. Выглядит как «бесконечно яркая» точка, парящая в воздухе. В произведениях сам демон называет себя демоном порочности.
  • В своем одноимённом эссе Кен Кизи переводит парадокс из области термодинамики в область социологии простой заменой «тепла» на «добро» и «холода» на «зло», доказывая таким образом несостоятельность западной системы ценностей.
  • В произведении «Любой крутой чувак» Пола Ди Филиппо демоны Максвелла обеспечивают энергией страну «Земля Максвелла», находящуюся на территории Африки. На основе этой энергии строится политико-независимое научно-техническое утопичное общество.
  • В романе Томаса Пинчона «Выкрикивается лот 49» описывается устройство, так называемая «машина Нефастиса», в которой используется демон Максвелла; чтобы его активировать, 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 романе Макса Фриша «Homo Фабер» диссертация главного героя носит название «О значении так называемого максвелловского демона».
  • В манге «Моя богиня!» демон Максвелла находится в переднем конце черенка метлы Беллданди (Верданди). Благодаря тому, что демон пропускает только быстрые молекулы газов воздуха в одном направлении, создается реактивная тяга и метла может летать. Изображен в виде миниатюрного Дж. Максвелла в карикатурном виде.
  • В манге «Стальной алхимик» все алхимики способны переводить из одного состояния в другое энергию и преобразовывать форму и целостность материи (так называемому демону Максвелла энергия предоставляется из энергии земной коры, образующейся после катаклизмов и извержений вулканов), а также заключать человеческие души в философский камень, который может быть использован для последующего извлечения из него энергии и преобразования в физические объекты и энергию любого типа.

В играх[править | править вики-текст]

  • В браузерной игре Elements есть игровая карта, вызывающая Демона Максвелла, который способен убить любое существо, чей урон превышает его очки здоровья.
  • В браузерной игре Годвилль есть монстр под именем Демон Максвелла и задание «спасти кота Шрёдингера, засунутого демоном Максвелла в резонатор Гельмгольца».
  • В компьютерной игре Max Payne 2 также присутствует персонаж телешоу «Капитан Бейсбольная Бита» по имени Демон Максвелла.
  • Neverwinter Nights 2: Mask of the Betrayer. По сюжету игроку необходимо отделить ледяных мефитов от огненных, чтобы получить один из четырех камней душ.
  • Демон Максвелл - главный антагонист игры Don't Starve. По своей злой воле он отправляет девять разных героев в созданный им мистический мир, где они должны выжить. Также доступен как играбельный персонаж.

В аниме[править | править вики-текст]

  • В аниме El Cazador у главной героини Эллис есть пробуждающаяся сила, способная контролировать демона Максвелла.

В кино[править | править вики-текст]

  • В 11 серии 5 сезона сериала «Числа» о сути эксперимента рассказывает Чарльз, на что его отец, Алан, парирует, что в жизни ничто не работает вечно — обязательно что-либо сломается, тем самым нарушив парадокс.
  • В фильме «Бархатная золотая жила» фигурирует альтер-эго рок-звезды Брайана Слэйда «Демон Максвелл».

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Фейнман P., Характер физических законов. Библиотечка «КВАНТ», Выпуск 62. — М.: Наука, Изд. второе, исправленное, 1987; Лекция 5. Различие прошлого и будущего.
  2. Leff, Harvey S. and Andrew F. Rex. Maxwell’s Demon 2: Entropy, Classical and Quantum Information, Computing. CRC Press, 2002, ISBN 0750307595,Google books link page 370.
  3. Б. Б. Кадомцев "Динамика и информация", Успехи физических наук, т. 164, 1994, № 5, с. 450—530
  4. Ч. Г. Беннет "Демоны, двигатели и второе начало термодинамики", В мире науки, 53, 1988, № 1
  5. Японцы создали демона Максвелла. membrana.ru (16.11.2010). Архивировано из первоисточника 27 августа 2011.
  6. プレスリリース | 中央大学
  7. Phys. Rev. Lett. 115, 260602 (2015) - On-Chip Maxwell's Demon as an Information-Powered Refrigerator
  8. Физики создали демона Максвелла: Наука: Наука и техника: Lenta.ru
  9. Зачем физики создали демона Максвелла: Наука: Наука и техника: Lenta.ru
  10. L. Scilard, Zs. Physik 58, 840 (1929)
  11. Наука и теория информации, 1960, с. 217-240.

Литература[править | править вики-текст]

Ссылки[править | править вики-текст]