Dans les années 1860 le physicien James Clerk Maxwell découvrit un paradoxe
inhérent à la 2eme loi de la thermodynamique.
Ce paradoxe fut donc nommé le Démon de Maxwell
Ce paradoxe met en jeu deux chambre à gaz
tout comme nous l'avons vu dans le modèle NetLogo de la sous unité précédente
où les chambres sont séparées par un mur et connectées par un trou dans ce mur
Par contre, cette fois, une porte est placée sur l'ouverture, ouverte ou fermée par un démon
pas un démon effrayant, mais un petit, très malin,
qui peut mesurer la vitesse des molécules quand elles filent devant lui
Dans la formule de Maxwell, le démon ouvre la porte
pour laisser les molécules rapides passer de la gauche vers la droite
et ferme la porte quand les molécules rapides vont de la droite vers la gauche
en même temps, il laisse les molécules lentes aller de droite au gauche mais pas dans l'autre sens
Au bout d'un moment, il y aura beaucoup plus de de molécules rapides à droite et de molécules lentes à gauche.
le système sera plus ordonné car il aura séparé les molécules lentes des molécules rapides
Cela veut dire que l'entropie générale du système baissera
Voici le modèle NetLogo du démon de Maxwell tiré de la bibliothèque NetLogo
De la section GasLab, nommé le démon GasLab de Maxwell
Règlons le
Voici encore les molécules, les petits points verts qui flottent
en collision les uns avec les autres, échangeant de l'énergie suivant les lois de la physique
mais cette fois un démon va se trouver au milieu
on ne peut pas vraiment le voir, mais on peut voir la petite porte
et le démon va mesurer la vitesse des particules
et laisser les rapides aller à droite et les lentes aller à gauche
Alors allons y
alors qu'elles entrent en collision, certaines vont gagner de l'énergie d'autres vont en perdre
les rouges sont les plus rapides, les bleues les plus lentes
les vertes sont intermédiaires
petit à petit le démon va laisser les rapides aller vers ce coté
et les lentes aller de l'autre
Vous pouvez donc voir la vitesse moyenne augmenter du coté droit
et celle du coté gauche diminuer
j'augmente un peu la vitesse du jeu et le laisse se dérouler un moment
On voit alors mieux le processus
Vous pouvez donc voir qu'en moyenne
le coté droit commence à bouger beaucoup plus vite que le gauche
donc, dans ce cas, on obtient l'effet inverse de ce que nous avons pu voir dans le précédent modèle NetLogo
Ici le gaz était très désordonné au début, avec une forte entropie et s’est doucement ordonné
Les particules rapides ont été séparées des particules lentes
Et l’entropie a diminué
Un travail a été effectué pour réduire l’entropie
Quel travail ici ?
Le travail du démon qui a ouvert et fermer la porte
Mais Maxwell a discuté le fait que la porte était habilement montée
pour qu’ouverture et fermeture se fasse avec peu de travail
comparées avec la quantité d’entropie qui a diminué
En fait depuis les années où Maxwell a proposé ce paradoxe
quelques modèles réalisables pour une telle porte ont été proposés
Le paradoxe de Maxwell n'est pas qu'aucun autre travail n'ait été fait
selon ses propres mots, "le système chaud, du coté droit est devenu plus chaud
et le froid, du coté gauche, est devenu plus froid
alors qu'aucun travail n'a encore été fourni
seulement l'intelligence d'un petit observateur minutieux a été utilisé"
L'idée de Maxwell lui même sur la 2eme loi était qu'elle n'était en réalité pas une loi
mais plutot une "certitude statistique"
une qui marche pour un large groupe de molécules mais pas pour les molécules prises individuellement
c'est a dire qu'il serait possible, en principe, que l'entropie puisse diminuer d'elle même
violant ainsi la 2eme loi de la thermodynamique
Mais cela n'a jamais été pratiquement observé parce qu'il est statistiquement beaucoup plus probable pour l'entropie d'augmenter.
Nous verrons pourquoi dans la prochaine sous unité
Apres la publication de son livre "Theory of heat"
le paradoxe devint tres célèbre et discuté dans la communauté scientifique
certains le prenant pour une réfutation de la 2eme loi
mais d'autres, les defenseurs de la 2eme loi de la thermodynamique, pour une réelle loi naturelle
les sceptiques y voyait quelque chose de pas clair
quelque chose ayant été caché sous le tapis
cette situation dura plusieurs années
En 1929, le physicien Hongrois, Leo Szilard suggéra ce qui avait été caché sous le tapis.
Tout simplement l'intelligence du démon
ou, plus précisément, l'acte d'obtenir une information en la mesurant
Szilard proposa que l'acte de mesurer , lui même, absorbait de l'énergie
même si ce processus est caché dans le cerveau du démon
et que la quantité d'énergie absorbée correspondait exactement à la perte d'entropie du gaz.
Le célebre texte de Szilard,
"Sur la diminution de l'entropie dans un système thermodynamique par l'intervention d'êtres intelligents"
marqua la premiere fois où l'entropie était reliée à l'information
c'est un lien qui devint fondamental dans de nombreux domaines, mais ce fut une grande avancée faites par Szilard
Maxwell n'avait pas réalisé que l'intelligence ou la capacité d'observation du démon
pouvait être reliées à la thermodynamique du systeme
Ce fut une grande intuition que de relier la réalité physique d'un gaz
à la réalité mentale d'un démon, par la notion d'énergie
Mais Szilard vit aussi que de prendre en compte le processus de mesure
durant lequel le démon décide si une particule est rapide ou lente
est essentiel à la comprehension d'un systeme thermodynamique dans son ensemble.
Szilard découvrit aussi la notion de bit d'information
ou le bit désigne la quantité d'information nécessaire à déterminer si rapide ou lent,
oui ou non, ou toute question ayant deux réponses possibles.
Le champ des sciences informatiques adopta ce terme de "bit"
pour décrire la mémoire d'un ordinateur, qui est constituée de zéros ou uns.
Beaucoup s'inspirèrent de la vision originale de Szilard, en particulier
le physicien Rolf Landauer et le mathématicien Charles Benett,
qui, avec d'autres gens, furent les pionniers d'un nouveau champs de recherche appelé la physique de l'information
et mirent en évidence l'idée radicale que l'information elle même est une propriété physique.
Cette idée a des implications profondes sur les limites de ce qui peut être calculé
en termes de limites thermodynamiques.
La physique de l'information a pris son envol sous la forme de nombreux livres
et a été appliquée à la mécanique quantique, à l'électronique
dans laquelle des démons de Maxwell à l'échelle atomique ont été effectivement construits
et plus récemment en biologie, où l'idée du démon de Maxwell
en tant que mecanisme fondamental d'un systeme biologique a été proposé.
Si vous desirez approfondir les implications du démon de Maxwell
en physique de l'information, il existe deux bons livres
edités par Harvey Left et Andrew Rex, tous deux intitulés "Le démon de Maxwell".
"Le démon de Maxwell 1" et "le démon de Maxwell 2"
Cette une intéressante lecture, même si un peu technique,
si vous désirez comprendre en profondeur ce sujet
et les incessantes controverses à propos du démon de Maxwell et de la 2eme loi de la thermodynamique