En la década de 1860, el físico James Clark Maxwell
propuso una paradoja acerca de la segunda ley de la termodinámica.
Esta paradoja se conoce como el demonio de Maxwell.
La paradoja comprende dos cuartos con gas,
de manera similar a como vimos en el modelo en netlogo en la subunitad pasada.
Similarmente, los cuartos estan conectados por una pared
con un orificio en un extremo.
Esta vez, sin embargo, hay una puerta en el orificio
que puede ser abierta y cerrada por un demonio.
No un demonio que asusta, sino un demonio muy inteligente
y pequeño que es capaz de medir la velocidad
de las moleculas que pasan.
En la formulación de Maxwell,
el demonio abre la puerta para dejar pasar
a las moléculas rápidas del lado izquierdo hacia el lado derecho
y cierra la puerta cuando una molécula rápida
viene de la derecha hacia la izquierda.
De manera similar, deja pasar moléculas lentas del lado
derecho hacia izquierda pero no viceversa.
Después de un tiempo habrá más moléculas rápidas
en el lado derecho y más moléculas lentas en
el lado izquierdo.
El sistema será más ordenado
porque él seleccionó las moléculas lentas
de las moléculas rápidas, esto produce que
la entropía del sistema disminuya.
Aquí está un modelo en netlogo del demonio de Maxwell,
también de la librería de netlogo y en la sección del
laboratorio de gas; se llama laboratorio de gases demonio de Maxwell.
Vamos a dar click en setup. Aquí también
tenemos moléculas: los puntos verdes, que se mueven,
chocando entre ellas y transfierendo energía,
de acuerdo a las leyes de la física. Pero ahora,
tendremos un demonio enmedio. No podemos verlo,
solamente vemos la puerta. El demonio va a medir la velocidad
de las partículas y solo permitirá que las moléculas rápidas
vayan hacia la derecha y que las partículas
lentas vayan hacia la izquierda.
Vamos a dar click en el boton "go".
Cuando las moléculas chocan entre ellas, algunas
ganan energía y otras pierden energía. Las rojas son
las moléculas rápidas, las azules son las moléculas lentas
y las verdes son intermedias; gradualmente, el demonio deja
que las moléculas rápidas vayan hacia este lado y las
moléculas lentas vayan hacia este otro; puedes ver que
la velocidad promedio del lado derecho incrementa y que
la velocidad promedio del lado izquierdo disminuye.
Si adelantamos esto, y lo dejamos correr por un tiempo, lo puedes ver mejor.
Ahora puedes ver que en promedio el lado derecho se mueve
más rápido que el lado izquierdo.
En este caso,
tenemos el efecto opuesto del que vimos en el modelo anterior.
Aquí , el gas empieza desordenado con alta entropía,
y gradualmente se vuelve más ordernado.
Esto es, las moléculas rápidas se han seleccionado
de las moléculas lentas, y la entropía disminuye.
De acuerdo con la segunda ley de la termodinámica,
se necesita trabajo para reducir la entropía.
¿De dónde viene el trabajo aquí?
El demonio abre y cierra la puerta, lo que implica trabajo.
Pero Maxwell demostró que la puerta podia establecerse de
manera que necesitara muy poco trabajo comparado
con la disminución de entropía que se obtiene como resultado.
De hecho, desde que Maxwell propuso esta paradoja,
algunos diseños para esta puerta se han propuesto.
La paradoja de Maxwell es que no se ha hecho trabajo.
En sus propias palabras, el lado derecho ha incrementado
su temperatura y el lado izquierdo se ha vuelto más frio,
aunque no se ha llevado a cabo trabajo,
solo se ha empleado la inteligencia de una pequeña creatura.
La opinión de Maxwell de la segunda ley de la termodinámica
era que ésta no es del todo una ley, sino algo que el llamo
incertudumbre estadística, que se aplica a una larga
colección de moléculas y no individual moléculas.
Esto es, en principio es posible que la entropía
puede disminuir por si sola, violando la segunda ley.
En práctica, esto nunca ocurre porque es
estadísticamente mucho más probable que la entropía incremente,
vamos a ver porque es esto en la siguente subunidad.
Después de la publicación de su libro "teoría del calor",
esta paradoja se volvió muy conocida y
discutida en la comunidad científica,
algunas personas la tomaron como la refutación
de la segunda ley, pero otras, los defensores de
la segunda ley de la termodinámica como verdadera ley en la naturaleza,
permanecieron escépticos, pensaron que había algo
sospechoso o que no se había tomando en cuenta en el argumento.
Estas discusiones duraron por muchos años.
En 1929, el físico húngaro Leo Szilard,
sugirió lo que no se había tomado en cuenta;
esto es, la intelegencia del demonio o, con más precisión,
el acto de obtener información de las mediciones.
Szilard propuso que el acto de medir, por sí mismo,
necesita energía; incluso si el proceso
esta escondido en el cerebro del demonio,
y la cantidad de energía que conlleva compesa
exactamente por la disminución de entropía en el gas.
En su trabajo titulado "Sobre la disminución de entropía en
un sistema termodinámico por la intervención de creaturas inteligentes"
fue la primera vez que la entropía se relacionó con información.
Esta relación ha sido fundamental en muchas áreas,
y fue un gran paso para Szilard.
Maxwell no vio la intelegencia o la habilidad de observar
de sus demonios como relacionado con la termodinámica del sistema.
Había una fuerte intuición que la física del gas
y la mente del demonio estaban completamente separados
en términos de la noción de energía, pero Szilard
pensó que tomando en cuenta el proceso de medición
en el que el demonio decide si una partícula es rápida
o lenta, es esencial para entender la termodinámica
de todo el sistema.
Szilard también propuso la noción de
un bit de información, dónde un bit mide la cantidad de
información que se necesita para resolver si la partícula
es rápida o lenta o sí o no; o cualquier
pregunta que tenga dos posible respuestas.
El campo de la las ciencias de la computación adoptó esta
terminología de bits para describir la memoria
de las computadoras, que consite en 1 y 0.
Muchas personas retomaron las ideas de Szilard,
en particular, el físico Rolf Landaur y el matemático Charles Bennet,
quienes junto con otras personas, fueron pioneros de
un nuevo campo, llamado física de la información
y propusieron la radical idea de que la información es una propiedad física.
Esta idea tuvo implicaciones profundas para establecer los
límites de lo que podia ser computado en términos
de los límites de la termodinámica
La física de la información ha sido discutida en muchos libros
y ha sido aplicada mecánica cuántica,
electrónica, donde pequeños demonios se han podido construir,
y más recientemente, en biología, en donde se ha propuesto
la idea del demonio de Maxwell como mecanismo fundamental en sistemas biológicos.
Si quieres continuar con más detalle entendiendo las implicaciones
del demonio de Maxwell y la física de la información,
hay dos libros muy buenos que han sido editados por
Harvey Lefj y Andrew Frex,
que se llaman "El demonio de Maxwell 1" y "El demonio de Maxwell 2",
pueden llegar a ser un poco técnicos, pero son libros muy buenos
si quieres entender profundamente los temas discutidos aqui
y la controversia entre el demonio de Maxwell
y la segunda ley de termodinámica que aún continua.