In den 1860er kam der Physiker James Clerk Maxwell mit einem Paradoxon auf
bezüglich des Zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik.
Dieses Paradoxon wird Maxwell-Dämon genannt.
Das Paradoxon betrifft zwei Raume mit Gas,
die sehr ähnlich sind denen im NetLogo Modell von der vorherigen Einheit.
Wie zuvor sind die Räume mit einander durch eine Wand verbunden, die eine Öffnung hat.
Diesmal jedoch gibt es eine Tür auf der Öffnung, die geöffnet oder geschlossen werden kann durch einen Dämon,
nicht die gruselige Art von Dämon, sondern einfach ein sehr cleveres, sehr kleinen Wesen,
das die die Geschwindigkeit der vorbei sausenden Moleküle messen kann.
In Maxwells Formulierung öffnet dieser Dämon die Tür
um die schnellen Moleküle von der linken auf die rechte Seite zu lassen
und schließt es wenn die schnellen Moleküle von rechts nach links steuern.
Ähnlich lässt er langsame Moleküle von rechts nach links gehen aber nicht umgekehrt.
Nach einiger Zeit es auf der rechten Seite mehr schnelle Moleküle und langsame Moleküle auf der linken Seite.
Das System wird mehr geordnet sein, weil er die langsamen Moleküle von den schnellen Moleküle aussortiert hat.
Und dies bedeutet dass die gesamte Entropie des Systems gesunken sein wird.
Hier ist das NetLogo Modell des Maxwell-Dämons aus der NetLogo Bibliothek.
Es ist auch aus der "Gaslab" Sektion, und es ist genannt "GasLab Maxwell's Demon".
Lasst uns "setup" drücken.
Hier sind wieder die Moleküle, diese kleinen, grünen Punkte fliegen herum,
kollidieren miteinander, übertragen sich gegenseitig Energie nach den Gesetzen der Physik,
aber dieses mal werden wir den Dämon in der Mitte haben.
Wir können ihn nicht sehen, aber wir können die Falltür sehen.
Und der Dämon wird die Geschwindigkeit der Partikel messen
und nur die die Schnellen nach rechts gehen lassen und die Langsamen nach links gehen lassen.
Lasst uns beginnen.
Bein Zusammenstoßen gewinnen einiger Energie, andere verlieren Energie,
und die Roten sind die Schnelleren, und die Blauen sind die Langsamen,
und die Grünen sind in der Mitte.
Nach und nach lässt der Dämon die Schnellen auf diese Seite,
und die Langsamen auf diese Seite gehen.
Demnach kann man sehen das die Durchschnittsgeschwindigkeit auf der rechten Seite steigt,
und die Durchschnittsgeschwindigkeit auf der linken Seite sinkt.
Wenn ich dies schneller laufen lasse, lasst es uns für eine Eile laufen lassen.
Wir können es tatsächlich besser sehen.
Nun können Sie sehen, dass im Durchschnitt
die rechte Seite beginnt sich viel schneller zu bewegen als die Rechte.
Also, in diesem Fall erhalten wir den umgekehrten Effekt verglichen zum vorherigen NetLogo Modell.
Hier beginnt das Gas sehr unorganisiert mit hoher Entropie und wird schrittweise sehr ordentlich.
Die schnellen Partikel sind nämlich von den langsamen Partikeln sortiert worden.
Und die Entropie nimmt ab.
Nun nach dem Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik muss Arbeit verrichtet werden um Entropie zu sinken.
Wo ist die Arbeit hier?
Der Dämon öffnet und schließt die Tür, was Arbeit beansprucht,
doch Maxwell konnte argumentieren, dass die Tür geschickt aufgebaut sein könnte,
sodass das Öffnen und Schließen sehr wenig Arbeit benötigen würde
verglichen mit der Menge an resultierender, gesenkter Entropie.
In der Tat, seit Maxwell dieses Paradoxon vorgeschlagen hat,
einige mögliche Entwürfe für so eine Tür wurden vorgeschlagen.
Maxwells Paradoxon ist, dass keine weitere Arbeit verrichtet wurde.
In seinen eigenen Worten: "Das heiße System auf der rechten Seite ist heißer geworden,
und das Kalte, auf der linken Seite, ist kälter geworden,
und dennoch wurde keine Arbeit verrichtet,
nur die Intelligenz eines sehr aufmerksamen und geschickten Wesens wurde verwendet."
Maxwells Sicht über den Zweiten Hauptsatz war, dass es überhaupt nicht ein Gesetz ist,
sondern wie er es nannte: "eine Statistische Wahrscheinlichkeit (Sicherheit)",
etwas dass eine große Sammlung an Molekülen ist, nicht die individuellen Moleküle selber.
Das meint, dass es prinzipiell möglich ist, dass Entropie von alleine sinken könnte,
daher das Zweite Gesetzt missachten würde.
Aber in der Praxis wird es niemals gesehen, weil es statistisch gesehen so sehr wahrscheinlicher ist, dass Entropie steigt.
Wir werden in der nächsten Untereinheit sehen warum dies so ist.
Nach der Publikation seines Buches "Theory of Heat",
wurde dieses Paradoxon sehr bekannt und viel diskutiert in der wissenschaftlichen Gemeinschaft.
Manche Personen sahen es als eine Wiederlegung des Zweiten Hauptsatzes,
doch andere verteidigten den Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik als ein echtes Naturgesetz.
Diese Skeptiker dachten, dass es was faul an der Sache war,
etwas unter den Teppich gekehrt wurde.
Diese Angelegenheit überdauerte viele Jahre.
1929 schlug der ungarische Physiker Leo Szilard vor, was unter den Teppich gekehrt wurde.
Und zwar die Intelligenz des Dämons,
oder genauer der Akt des Informationserhalt von den Messungen.
Szilard schlug vor, dass der Akt des Messens an sich Energie kostet,
selbst wenn der Prozess im Gehirn des Dämons versteckt ist,
und die diese Menge an benötigter Energie gleicht genau die geminderte Entropie im Gas aus.
Szliards berühmter Artikel
"On the Decrease of Entropy in a Thermodynamic System by the Intervention of Intelligent Beings"
war das erste mal, dass Entropie mit Information verbindet wurde.
Diese Verbindung ist fundamental in vielen Gebieten, aber es hat einen Sprung seitens Szilard gebraucht.
Maxwell erkannte die Intelligenz oder die Beobachtungsgabe seines Dämons
nicht im Bezug zu den Thermodynamiken des Systems an.
Da war eine starke Intuition, dass die physikalische Bereich des Gases
und der mentale Bereich es Dämons total getrennt sind in Bezug auf Energie.
Szilard aber sah die Buchhaltung für den Prozess der Messung,
wobei der Dämon entscheidet ob ein Partikel schnell oder langsam ist.
Dies ist essentiell um die Thermodynamik des gesamten Systems zu verstehen.
Szilard hat sich auch die Vorstellung von einem Bit (Stück) Information ausgedacht,
wobei ein Bit die Menge an Information misst, die benötigt wird um schnell oder langsam zu beantworten,
oder ja oder nein, oder irgendeine Frage die zwei mögliche Antworten hat.
Der Bereich der Computerwissenschaften das den Begriff Bits natürlich übernommen
um Computer Speicher zu beschreiben, was aus Einsen und Nullen besteht.
Viele Personen haben von dieser originellen Einsicht gestartet, vor allem
der Physiker Rolf Landauer und der Mathematiker Charles Emmett,
die zusammen mit anderen Leuten im neuen Feld genannt Informationsphysik Pionierarbeit geleistet haben,
und sie haben die radikale Idee vertreten, dass Information an sich eine physikalische Eigenschaft ist.
Diese Idee hat schwerwiegende Implikationen für die Limitationen was berechnet werden kann
im Bezug auf die Limitationen der Thermodynamik.
Die Informationsphysik ist in vielen verschiedenen Büchern behandelt
und wurde angewendet in Quantum Mechanik, Elektronik,
in denen nanoskalige Maxwell Dämonen gebildet werden können,
und neuerdings in Biologie, in der die Idee von Maxwells Dämon
als ein fundamentalen Mechanismus in biologischen Systemen vorgeschlagen wurde.
Wenn Sie die Implikationen des Maxwells Dämon tiefer ergründen möchten
in der Informationsphysik, es gibt zwei tolle Bücher
die bei Harvey Left und Andrew Rex bearbeitet wurden, beide heißen "Maxwell's Demon",
"Maxwell's Demon 1" und "Maxwell's Demon 2".
Diese können etwas technisch werden sind aber toll zu lesen
wenn Sie tiefgründig das Thema hier verstehen möchten
und die anhaltende Kontroversen über Maxwells Dämon und der
Zweite Hauptsatz der Thermodynamik.