Nel 1860 il fisico James Clerk Maxwell trovò un paradosso
che riguardava la seconda legge della termodinamica
Questo paradosso venne chiamato il demone di Maxwell.
Il paradosso riguarda due stanze piene di gas
molto simile al modello NetLogo della precedente sottounità.
Come prima, le stanze sono collegate da un muro con un'apertura.
Questa volta, comunque, c'è una porta, che può essere aperta o chiusa dal demone,
non un demone spaventoso, semplicemente un essere molto intelligente
che può misurare la velocità delle molecole mentre la attraversano.
Nella formulazione di Maxwell il demone apre la porta
per far passare una molecola veloce da sinistra a destra
e la chiude per impedire il passaggio di un veloce da destra a sinistra
Analogamente, lascia passare quelle lente da destra a sinistra ma non viceversa.
Dopo un po' ci saranno più molecole veloci a destra e lente a sinistra.
Il sistema sarà più ordinato perché ha diviso le molecole lente da quelle veloci.
E questo significa che l'entropia totale del sistema è diminuita.
Ecco il modello NetLogo del demone di Maxwell preso dalla libreria dei modelli.
Si trova nella sezione Gaslab, e si chiama GasLab Maxwell Demon.
Facciamo 'setup'.
Ecco le molecole, questi puntini verdi che volano,
si scontrano, trasferendosi energia secondo le leggi della fisica,
ma questa volta c'è il demone in mezzo.
Non lo possiamo vedere veramente, ma possiamo vedere la porta.
E il demone misura la velocità delle particelle
e fa passare solo le più veloci a destra e le più lente a sinistra.
Facciamo 'go'.
Collidendo tra loro, alcune acquistano energia, altre la perdono,
e le rosse sono le più veloci, le blu le più lente,
e le verdi sono nel mezzo.
Gradualmente il demone mette le più veloci da questa parte,
e le più lente da quest'altra.
Potete vedere che la velocità media dalla parte destra sta crescendo,
e la velocità media dalla parte sinistra sta diminuendo.
Velocizziamo il sistema e facciamolo girare per un po'.
In effetti si può vedere meglio.
Potete ora vedere che in media
la parte destra si muove un po' più veloce della sinistra.
Quindi in questo caso abbiamo l'effetto opposto di quello precedente.
Qui il gas all'inizio è disordinato,
con molta entropia
e gradualmente diventa ordinato,
cioè, le particelle veloci vengono separate dalle particelle lente.
E l'entropia diminuisce.
Secondo la seconda legge della termodinamica,
occorre eseguire un lavoro per ridurre l'entropia.
E qui dov'è il lavoro?
Il demone apre e chiude la porta, che comporta lavoro,
ma Maxwell affermò che la porta potrebbe impostata
intelligentemente per aprirsi e chiudersi con poco lavoro
rispetto al grado di entropia che risulta.
Infatti negli anni in cui Maxwell propose il paradosso,
vennero proposti alcuni progetti fattibili di una porta del genere.
Il paradosso di Maxell non è altro che questo.
In altre parole, "Il sistema caldo, che è a destra,
è diventato più caldo
e il freddo, a sinistra, è diventato più freddo,
mentre non è stato fatto nessun lavoro,
è stata utilizzata solo l'intelligenza di un essere abile e scrupoloso.
Secondo Maxwell la seconda legge non era una legge,
piuttosto quella che chiamava "una certezza statistica",
che vale per un grande numero di molecole, non per ciascuna singola molecola.
Quindi, è possibile in via di principio che l'entropia possa decrescere
autonomamente, quindi violando la seconda legge.
Ma in pratica questo non si vede mai perché statisticamente è molto più probabile
che l'entropia aumenti.
Vedremo il perché nella prossima sottounità.
Dopo la pubblicazione del suo libro "Teoria del calore"
questo paradosso divenne molto noto e discusso nella comunità scientifica.
Molte persone lo considerarono come il rifiuto della seconda legge
Ma altri, i sostenitori della seconda legge come vera
questi scettici pensarono che c'era qualcosa di poco chiaro,
qualcosa era stato 'spazzato e nascosto sotto il tappeto'.
Questa discussione durò molti anni.
Nel 1929 il fisico ungherese Leo Szilard propose che era stata 'nascosta
sotto il tappeto' l'intelligenza del demone,
più precisamente l'atto di ottenere informazioni dalle misure
Szilard propose che l'azione di misurare comporta energia
persino se il processo è nascosto nel cervello del demone,
e la quantità di energia necessaria compensa esattamente la diminuzione
di entropia del gas.
Nel famoso articolo di Szilard, "Sulla diminuzione di entropia per l'intervento
di esseri intelligenti"
fu la prima volta che l'entropia fu messa in relazione con l'informazione.
Questa relazione divenne fondamentale in molte aree, ma Szilard
ebbe una grande intuizione per proporla.
Maxwell non vide la relazione tra l'intelligenza o il 'potere osservante'
con la termodinamica del sistema.
Ci fu una forte intuizione che il dominio del gas
e il dominio mentale del demone erano interamente separati nella nozione
di energia, ma Szilard vide che il processo di misurazione
per mezzo del quale il demone decide se una particella e veloce o lenta
è essenziale per capire la termodinamica dell'intero sistema.
Szilard introdusse anche la nozione di bit di informazione,
per la quale un bit determina la quantità di informazione per definire 'veloce' o 'lento'
o 'si' o 'no', o qualsiasi domanda con due risposte possibili.
Il campo della computer science ha ovviamente adottato questo termine, bit
per descrivere la memoria del computer che è composta da tanti 'uno' e tanti 'zero'.
Molte persone presero spunto dalla intuizione originale di Szilard, in
particolare il fisico Rolf Landauer e il matematico Charless Emmett,
che insieme ad altre persone furono i pionieri del nuovo campo chiamato
fisica dell'informazione, e scoprirono che l'informazione stessa
è una proprietà fisica.
Questa idea impatta con i limiti di cosa può essere calcolato
in termini di limiti della termodinamica.
La fisica dell'informazione è iniziata con diversi libri
ed è stata applicata alla meccanica quantistica, all'elettronica,
in cui si possono creare veramente demoni di Maxwell a livello nanometrico
e più recentemente alla biologia, in cui l'idea del demone di Maxwell
è stato proposto come fondamentale meccanismo nei sistemi biologici.
Se volete proseguire nel capire le implicazioni del demone di Maxwell
nella fisica dell'informazione ci sono due fantastici libri
scritti da Harvey Left e Andrew Rex, entrambi intitolati 'Maxell's Demon',
'Maxwell's Demon 1' and 'Maxwell's Demon 2'.
Sono un po' tecnici ma sono due fantastiche letture
se volete capire approfonditamente le problematiche implicate
e le continue controversie tra il demone di Maxwell e la seconda legge della termodinamica.