В 1867 году британский физик Джеймс Максвелл предложил мысленный эксперимент, нарушающий незыблемый Второй закон термодинамики. Интрига вокруг идеи Максвелла сохраняется уже 150 лет, а в какой-то момент демон Максвелла был популярнее пресловутого кота Шредингера. Действительно ли «демон» существует или это всего лишь очередные «игры разума» ученых?

Что говорит Второй закон термодинамики

Закон гласит, что передача тепла от тела с меньшей температурой телу с большей температурой невозможна без совершения работы. Иными словами, он определяет направление спонтанного процесса: холодное тело при контакте с горячим никогда не станет еще холоднее самопроизвольно. Второй принцип также говорит, что энтропия (мера беспорядка) в изолированной системе остается неизменной или возрастает (беспорядка со временем становится больше).

Допустим, вы пригласили на вечеринку друзей. Естественно, перед этим вы убрались в квартире: помыли полы, расставили предметы на их места, в общем, устранили столько хаоса, сколько смогли. Энтропия системы снизилась, но противоречия со Вторым законом здесь нет, ведь при уборке вы добавили энергию извне (система не изолирована). Что будет после вечеринки? Количество хаоса вырастет, то есть вырастет энтропия системы.

Эксперимент «демона Максвелла»

Представьте ящик, равномерно заполненный «горячими» и «холодными» молекулами. Теперь разделите ящик перегородкой, а в нее добавьте устройство (его и называют демоном Максвелла), способное выборочно пропускать горячие частицы из левой области в правую, а холодные – из правой в левую. Со временем горячий газ сконцентрируется в левой части, а холодный – в правой. Парадоксально, но «демон» нагрел правую часть ящика и охладил левую без получения энергии извне! Получается, в ходе эксперимента энтропия в изолированной системе снизилась (порядка стало больше), а это также противоречит Второму началу термодинамики.

Парадокс разрешается, если разглядывать систему вместе с ящиком. Для работы устройства ему все же нужна энергия извне. Энтропия системы действительно уменьшилась, но только за счет передачи энергии от внешнего источника.

Энтропия растет?!

С точки зрения теории информации энтропия – это то, как много вам неизвестно о системе. Если на вопрос о месте проживания незнакомый человек ответит вам, что он живет в России, то его энтропия для вас будет высокой. Если он назовет конкретный адрес, то энтропия снизится, ведь вы получили больше данных.

Еще один пример. Металл имеет кристаллическую структуру, а значит, выяснив положение одного атома, вы потенциально можете определить положение других. Уроните кусок металла, и его энтропия для вас повысится, ведь при ударе некоторые атомы сместятся в случайном направлении (вы потеряете часть информации).

На базе теории информации ученые предложили еще одно решение парадокса. Во время «просеивания» частиц устройство запоминает данные о скорости каждой молекулы, но поскольку память его не безгранична, со временем «демон» будет вынужден удалить информацию, то есть, повысить энтропию системы.

«Демон Максвелла» на практике

Еще в 1929 году ядерный физик Лео Силард предложил модель двигателя, способную получать энергию из изометрической среды и превращать ее в работу. А в 2010 году группа японских ученых заставила частицу полистирола двигаться вверх по спирали, получая энергию от броуновского движения молекул. Извне система получала только информацию о направлении электромагнитного поля, не дающего частице «скатиться» вниз.

В научной среде до сих пор нет консенсуса по поводу реальности демона Максвелла, но большинство физиков считает, что он все-таки не нарушает Второй закон термодинамики, а значит двигатель Силарда может быть реализован на практике.Автор: С.Борщев
Источник: "Популярная наука"