În 1860 fizicianul James Clerk Maxwell a enunțat un paradox
privind cea de a doua lege a termodinamicii.
Paradoxul a fost denumit Demonul lui Maxwell
Paradoxul are în vedere două camere pline cu gaz
foarte asemănătoare cu ce am văzut în modelul NetLogo din lecția trecută.
Cele două camere sunt despărțite de un perete cu un orificiu în el.
De această dată există o ușă/ trapă care acoperă orificiul și care poate fi deschisă și închisă de către demon,
nu este vorba de un demon înfricoșător, ci de o ființă foarte mică și foarte inteligentă
care poate să măsoare viteza moleculelor atunci când trec pe lângă el.
Potrivit teoriei lui Maxwell, acest demon deschide ușa
ca să lase să treacă moleculele rapide din partea stângă in partea dreapătă
și o închide când moleculele rapide vor să treacă din dreapta în stânga.
La fel, lasă moleculele lente să treacă din dreapta în stânga dar nu înapoi.
După un timp vor fii mai multe molecule rapide în partea dreaptă și mai multe molecule lente în stânga.
Sistemul este ma iordonat pentru că el a separat moleculele lente dintre cele rapide.
Asta înseamnă că nivelul general de entropie a sitemului scade.
Acesta este modelul NetLogo care reprezintă modelul Demonului lui Maxwell din biblioteca programului.
Se găseste în secțiunea GasLab și se numește ”GasLab Maxwell's Demon”
Facem click pe Setup
Acestea sunt moleculele, punctele verzi care zboară,
ciocnindu-se unele de altele, transferând enegie una de la cealaltă conform legilor fizicii
dar de data asta avem și un demon la mijloc.
Nu-l putem vedea, dar putem vedea trapa.
Iar demonul va măsura viteza particulelor
și le va lasa pe cele rapide să meargă în dreapta și pe cele lente să meargă în stânga.
Facem clik pe GO
Când moleculele se cicnesc între ele unele câștigă energie iar altele o pierd,
și cele roșii sunt cele rapide iar cele albastre sunt cele lente,
iar cel verzi au viteză medie.
Gradual demonul le lasa pe cele rapide să meargă în partea asta
și pe cele lente să meargă în partea asta.
Vedeți că viteza generala (a moleculelor) din dreapta crește,
iar viteza generală a celor din dreapta scade.
Dacă măresc viteza de drulare și las modelul să ruleze un timp.
Vedem procesul mai bine.
Vedem că la nivel general
moleculel din partea dreaptă încep să se miște mult mai repede decât cele din stânga
În acest caz vedem efectul opus față de modelul NetLogo prezentat anterior.
Aici gazul este foarte dezorganizat la început având un grad de entropie mare și gradual devine organizat
Farticulele rapide au fost separate de cele lente.
Și gradul de entropie scade.
S-au facut eforturi pentru a se reduce gradul de entropie potrivit cele de a doua legi a termodinamicii.
Care este efortul în cazul acesta?
Demonul închide și deschide trapa, ceea ce presupune un efort,
dar Maxwell a propus ca trapa să fie setată astfel încât
deschiderea și închiderea ei să presupună un efort foarte mic
comparativ cu nivelul de energie care se transferă.
De-a lungul timpului, de când Maxwell a propus paradoxul
a fost propuse diverse modalități de design pentru o asemenea ușă.
Paradoxul lui Maxwell susține că nici un fel de altfel de efort trebuie făcut
Conform spuselor sale, ”Sistemul fierbinte din dreapta a devenit mai fierbinte
și cel rece din stânga a devenit mai rece,
și nu s-a produs nici un efort,
s-au folosit doar inteligența, rapiditatea și simțul de observație a unei ființe.”
În opinia lui Maxwell cea de a doua lege nu era o lege,
ci ”un adevăr statistic”,
care se aplică în cazul unor largi conglomerate de molecule dar nu se aplică moleculelor individuale.
Astfel, este posibil, teoretic, ca gradul de entropie să scadă de la sine,
și se încalcă astfel cea de a doua lege.
Dar la nivel practic acest lucru nu a fost observat niciodată pentru că din punct de vdedere statistic este mai probabil ca gradul de entropie să crească.
Vom vedea de ce se întâmplă acest lucru în lecția urmîtoare.
După ce a a fost publicată cartea sa ”Teoria căldurii”,
acest paradox a devenit foate cunoscut și dezbătut de către comunitatea oamenilor de știință.
Unii au înțeles-o ca pe o respingere a cele de a doua legi,
iar alții, apărătorii celei de a doua legi a termondinamicii ca pe o adevărată lege a naturii.
Acesti sceptici au considerat că era ceva putred la mijloc,
cerva era mușamalizat.
Situața asta a durat mulți ani.
În 1929, fizicianul ungar Leo Szilard, a avut o sugestie pentru ceea ce se considera a fii mușamalizat.
Și anume inteligența demonului,
sau mai precis modul în care el obține informația din măsurători.
Szilard a spus că aceste măsurători presupun un consum de energie
chiar dacă procesul este unul ascuns în creierul demonului,
și caantatea de energie necesară procesului compensează în mod exact descreșterea înregistrată în nivelul de entropie al gazului.
În cadrul faimoasei lucrari a lui Szilard,
”Despre descreșterea nivelui de entropie într-un sistem termo-dinamic odată cu intervenția ființelor inteligente”
s-a faăcut pentru prima dată legătura între entropie și informație.
Această legătură a devenit fundamentală în multe domenii care a fost realizată de către Szilard.
Maxwell nu a văzut inteligența și capacitatea de observație a demonului său
ca fiind legate de termo-dinamica sistemului.
S-a intuit corect că domeniul fizic al gazului
și capactatea metală a demonului sunt separate doar din punctul de vedere al noțiunii de energie.
Dar Szilard a luat în calcul procesul de cuantificare
prin care demonul stabilește care particulă este rapidă și care este lentă
ceea ceste esențial pentru a înțelege termodinamica întregului sistem.
Szilard a venit cu noțiunea de ”bit” cu privire la informație,
conform căreia bit-ul măsoară cantitatea de informație necesară pentru a stabili care particulă este rapidă și care este lentă
sau pentru a răspunde cu ”da” sau ”nu”, sau pentru a răspunde la orice alt fel de întrebare care are două variante de răspuns.
Informatica a adoptat termenul de ”bit”
pentru a descrie memoria computerului care este formată din 1 și 0.
Muți au dezvoltat ideea de bază a lui Szilard, mai ales
fizicianul Rolf Landauer și matematicianul Charles Emmett
care împreună cu alții au pus bazele domeniului denumit fizica informației
și au propus ideea radicală că informația în sine are o proprietate fizică.
Această idee a a avut implicații profunde pentru limitele a ceea ce putea fii calculat
din punctul de vedere al termodsinamicii
Fizica informației a fost detaliată în mai multe cărți
și este aplicată în mecanica cuantică, electronică,
unde demonul lui Maxwell poate fii creat
și, mai recent, în biologie unde ideea demonului lui Maxwell
a fost prousă ca reprezentând un mecanism fundamental al sistemelor bilogice.
Dacă vreți să înțelegeți mai în profunzime implicațiile pe care Demonul lui Maxwell
le are în fizica informației există două cărți excelente
editate de Harvey Left și Andrew Rex, amândouă intitulate Demonul lui Maxwell
Demonul lui Maxwell 1 și Demonul lui Maxwell 2.
Pot fii puțin tehnice dar reprezintă o lectură excelentă
dacă vreți să înțelegeși în profunzime subiectele abordate aici
și controversa perpetuă legată de Demonul lui Maxwell și cea de a doua lege a termodinamicii.