В 1860 году физик Джеймс Клерк Максвелл сформулировал парадокс
основанный на втором законе термодинамики.
этот парадокс стал называться Демон Максвелла.
Парадокс касается двух комнат с газом
очень похожие на те, которые мы видели в NetLogo модели в предыдущей части блока.
К ранее, комнаты соединены стеной с проходом в ней.
однако на этот раз есть дверь которая может быть открыта или закрыта с помощью демона,
не бойтесь термина демон, это просто очень умны, очень маленький
персонаж, который может измерять скорость молекул, пролетающей мимо.
В формулировке Максвелла, этот демон открывает дверь
чтобы более быстрые молекулы перешли с левой стороны в правую
и закрывает дверь, когда быстрая молекула перемещается справа налево.
Так же, пусть медленные молекулы переходят с права налево, но не наоборот.
Через некоторое время, быстрые молекулы будут с правой стороны, а медленные молекулы с левой стороны.
Система будет более упорядочена, потому что она будет отсортирует медленные молекулы от быстрых.
И это значит что энтропия системы уменьшиться.
В библиотеке NetLogo есть модель демона Максвелла.
Она так же в секции GasLab и называется GasLab Maxwell's Demon.
Давайте нажмем setup.
Здесь снова молекулы, эти маленькие зеленые точки, которые летают вокруг,
сталкиваясь друг с другом, перенося энергию друг от друга в соответствии с законами физики,
но в это время у нас есть демон посередине.
Мы не можем видеть его, но мы можем видеть дверь.
И демон собирается измерить скорость частиц
и только тогда, когда быстрая переходит направо, а медленная налево.
Он позволяет ей пройти.
Во время столкновения некоторые из них получают энергию, а некоторые отдают,
и красные являются более быстрыми, синие более медлинными,
а зеленые со средней скоростью.
Постепенно демон позволяет тем, что побыстрее перейти в эту сторону,
а более медленным в эту.
Т. о. средняя скорость с правой стороны растет,
а с правой падает.
Если я увеличу некоторую скорость и дам поработать некоторое время.
Мы можем видеть лучше.
Теперь вы можете видеть средняя скорость
с правой стороны гораздо выше, чем с правой
Таким образом мы получаем обратный эффект, увиденному в пред идущей модели.
Здесь газ находится в большом беспорядке с высокой энтропией и постепенно становиться упорядоченным.
А, именно, быстрые частицы отсортированы от медленных.
И энтропия уменьшается.
Теперь в соответствии со вторым законом термодинамики, некоторая работа должна быть проделана, чтобы уменьшить энтропию.
Где же эта работа?
Демон не открывает и не закрывает дверь, которая получает работу,
но Максвелл утверждал, что дверь можно ловко настроить
т.о. что работа открывается и закрывается с применением очень маленькой работы
по сравнению с понижением энтропии в результате.
В результате, с тех пор как Максвелл сформулировал парадокс,
некоторые возможные проекты для такой двери были предложены.
Парадокс Максвелла, в том что не было проделано другой работы.
По его словам: " Горячая система, справа, получает более горячие
а холодная система, слева, более холодные
и не существует проделанной работы,
только интеллектуальная, очень наблюдательная и аккуратная система использована."
Собственные взгляды Максвелла на второй закон термодинамики, в том что не закона для всего,
то что он назвал "статистической неопределенностью",
которая имеет место для большого количества молекул.
То есть, это в принципе возможно, что энтропия может уменьшаться сама по себе,
т.о. нарушая второй закон.
Но на практике это никогда не было продемонстрировано, потому что это статистически, намного более вероятно, повышение энтропии.
Мы увидим это в следующем под блоке.
После публикации его книги "Теория теплоты"
этот парадокс стал очень хорошо известен и обсуждаем в научном сообществе.
Некоторые люди восприняли это как опровержение второго закона,
но другие защищали второй закон термодинамики, как истинный закон природы.
Эти скептики считали, что происходит, что-то подозрительное,
и что-то пошло не так.
Это состояние длилось в течение многих лет.
В 1929 году Венгерский физик Лео СцилардШилард сделал предположение для этой проблемы.
А именно, это был интеллект демона,
или акт получения информации от измерения.
Сцилард предположил, что акт измерения сам берет энергию
даже если процесс скрыт в мозгу демона,
даже если процесс скрыт в мозгу демона,и суммарная энергия точно компенсирует энтропию в газе.
Знаменитая работа Сциларда,
"О понижении энтропии в термодинамической системе путем вмешательства разумных существ"
была первым предположением, что энтропия связана с информацией.
Эта предположение стало фундаментальным во многих областях, но скачок сделал Сцилард.
Максвелл не видел интеллект или наблюдательную силу своего демона
как связанные с термодинамической системой.
Это была сильная интуиции в физическом мире газа
и психическом царство демона были полностью отделены с точки зрения понятия энергии.
Но Сцилард видел сумму для измерительных процессов
в которых демон решает либо частицы, либо медленные
имеет важное значение в понимании термодинамики всей системы.
Сцилард также придумал понятие бита информации,
которая немного измеряет количество информации необходимое, для ответа на быстрые или медленные частицы,
или да, или нет, или любой другой из двух возможных ответов.
Информатика, конечно, приняла терминологию битов
для описания компьютерной памяти, которая представлена как нули и единицы.
Многие люди перешли от оригинального понимания Сциларда к частному,
физик Рольф Ландауэр и математик Чарльз Эммет
которые вместе с другими людьми назвали новую науку физика информации,
и придумали радикальную идею, что сама информация является физическим свойством.
Эта идея имела далеко идущие последствия за пределы возможных вычислений
в терминах пределов термодинамики.
Физика информации принимала много форм в различных книгах
и нашла применение в квантовой механике, электронике,
в которых нано размерный демон Максвелла может быть построен,
и совсем недавно в биологии в которой идея демона Максвелла
была предложена как фундаментальный механизм биологических систем.
Если вы хотите получить более полное понимание последствий демона Максвелла
в физики информации, посмотрите две великолепных книги
которые были отредактированы Харви Лефтом и Эндрю Рексом, обе называются Демон Максвелла,
Демон Максвелла 1 и Демон Максвелла 2.
Они могут показаться немного техническими, но это великолепное чтиво
если вы хотите глубокого понимания тем рассмотренных здесь
и продолжить споры о демоне Максвелла и втором законе термодинамики.