Демонът на Максуел: наука на невъзможното

В науката, както и в художествената литература, се срещат фантастични персонажи. Повечето от тях били измислени в процеса на обсъждане на втория закон на термодинамиката.

През декември 1867 г. Джеймс Кларк Максуел, в писмо до Питър Тейт, изказал идеята за устройство, нарушаващо втория закон на термодинамиката. След четири години той го представил в монографията „Теория на топлината“. През 1874 г. друг велик физик – Уилям Томсън, нарекъл това устройство Демона на Максуел.

Вторият принцип (или закон) на термодинамиката, или Законът за ентропията, има множество формулировки, чийто смисъл е идентичен: ентропията на затворена система, която не се намира в равновесие, нараства с времето, като достига максималната си стойност при достигане на равновесие

Много физически процеси се отнасят към категорията обратими. Водата например може да замръзне, а полученият лед – отново да се разтопи, и ние получаваме вода в предишния обем и състояние; желязото може да се намагнетизира, след това да се размагнетизира и т.н. При това ентропията на системата в началната и крайната точка на процеса остава неизменна.

Има и необратими в термодинамично разбиране процеси – горене, химични реакции и т.н. Тоест според втория закон на термодинамиката всеки процес в резултат води или до съхранение, или до намаляване на степента на порядък на системата.

Такава дисхармонична ситуация силно озадачила физиците във втората половина на XIX век и тогава Максуел предложил парадоксално решение, което позволявало да се заобиколи вторият закон на термодинамиката и да се обърне стабилният растеж на хаоса в затворена система.

Той предложил следния мисловен експеримент: да си представим херметичен контейнер, разделен на две с газонепроницаема преграда, в който има малка вратичка. В началото на опита едната част на контейнера съдържа газ, а другата – вакуум.

Сега да си представим, че на вратата има микроскопичен страж, който зорко следи молекулите. Той отваря вратата на бързите молекули и ги пуска зад преградата, в лявата половина на контейнера, а бавните остават в дясната. Ако този министраж дежури на вратата достатъчно дълго, газът ще се раздели на две половини – в дясната ще остане студеният газ, състоящ се от бавни молекули, а в лявата ще се натрупа горещ газ от бързи молекули.

Така системата се подрежда в сравнение с изходното състояние и вторият принцип на термодинамиката ще бъде нарушен. Освен това разликата в температурите може да се впрегне в работа. Ако пазачът се остави на дежурство вечно, ще получим вечен двигател.

Този забавен Демон на Максуел и досега живее в научния фолклор и вълнува умовете на учените. Действително, вечен двигател не би бил излишен на човечеството, но ето проблем: съдейки по всичко, за да заработи Демонът на Максуел, ще му бъде необходимо енергийно захранване във вид на приток на фотони, необходими за осветяване на приближаващите се молекули.

Освен това, пресявайки молекулите, Демонът и вратата не могат да не встъпват във взаимодействие с тях, в резултат на което самите те постоянно ще получават от тях топлинна енергия и ще увеличават своята ентропия, в резултат на което сумарната ентропия на системата няма да намалее. Тоест по такъв начин теоретичната заплаха за втория принцип на термодинамиката е отстранена, но не безусловно.

Първият истински убедителен контрааргумент бил формулиран скоро след раждането на квантовата механика. За сортиране на молекулите от Демона трябва да се измери тяхната скорост, а той не може да направи това с достатъчна точност поради принципа на неопределеност на Хайзенберг.

Освен това, по силата на същия този принцип, той не може да определи с точност и местонахождението на молекулите в пространството и част от молекулите, пред които той разтваря малката вратичка, ще се разминат с нея. С други думи, Демонът на Максуел се оказва макроскопичен слон в света на микрокосмоса, който живее по свои собствени закони.

Приведете демона в съответствие със законите на квантовата механика и той вече няма да е в състояние да сортира молекулите на газа и ще престане да представлява каквато и да е заплаха за втория закон на термодинамиката.

Друг силен аргумент срещу възможността за съществуване на Демона страж се е появил вече в компютърната ера. Да предположим, че Демонът на Максуел е компютърна автоматизирана система за управление на отварянето на вратата. Системата извършва побитова обработка на входящата информация за скоростта и координатите на приближаващите се молекули.

Пропускайки или отклонявайки молекулата, системата трябва да нулира предишната структурирана информация, а това е равносилно на увеличаване на ентропията със сума, равна на намаляването на ентропията в резултат на подреждането на газа при пропускане или отклоняване на молекулата, информацията за която е изтрита от оперативната памет на компютърния демон.

Освен това самият компютър също се нагрява, така че и в такъв модел на затворена система, състоящ се от газова камера и автоматизирана пропускателна система, ентропията не намалява и вторият закон на термодинамиката е изпълнен.

Жалко за Демона – симпатичен персонаж.