VAD ÄR MAXWELLS DEMON-PARADOX? - STAM - 2020
Citerade verk
Fysiken är berömd för sina tanken experiment. De är billiga och tillåter forskare att testa extrema förhållanden i fysik för att se till att de också arbetar där. Ett sådant experiment var Maxwell s Demon, och sedan Maxwell nämnde i sin teori om värme 1871 har det gett otaliga individer glädje och fysik med nya insikter i hur vi kan lösa knepiga situationer.
En annan konsekvens av kvantmekanik, installationen för Maxwell s Demon går så här. Föreställ dig en isolerad låda fylld med luftmolekyler endast. Lådan har två fack som är åtskilda av en skjutdörr vars funktion är att endast tillåta I luftmolekyl in / ut åt gången. Tryckskillnaden mellan de två kommer att bli noll eftersom utbytet av molekyler via dörren över tid gör att samma antal på varje sida baseras på slumpmässiga kollisioner, men nämnda process kan fortsätta för evigt utan någon temperaturförändring. Det beror på att temperaturen bara är en datametrik som indikerar molekylrörelse och om vi tillåter molekyler att gå fram och tillbaka i ett slutet system (eftersom det är isolerat) bör ingenting förändras (Al 64-5).
Men tänk om vi hade en demon som kunde kontrollera den dörren? Det skulle fortfarande bara låta en molekyl passera när som helst, men demonen kunde välja vilka som går och vilka som stannar kvar. Tänk om det manipulerade scenariot och bara hade snabba molekyler att flytta till en sida och långsamma till en annan? En sida skulle vara het på grund av de snabbare rörliga föremålen medan den motsatta sidan skulle vara kallare på grund av den långsammare rörelsen? Vi skapade en temperaturförändring där ingen var förut, vilket indikerade att energi på något sätt ökade och därmed har vi brott mot termodynamiken andra lag som säger att entropin ökar när tiden går (Al 65-7, Bennett 108).
Ett annat sätt att uttrycka det är att ett system av händelser naturligtvis förfaller när tiden går. Du ser inte en trasig vas återmontera sig själv och resa sig tillbaka till hyllan den låg på. Det är på grund av entropilagar, och det är i huvudsak vad demonen försöker göra. Genom att beställa partiklarna i ett snabbt / långsamt avsnitt ångrar han det som naturligt händer och vänder entropin. Och man får säkert göra det, men till energikostnaden. Det händer till exempel i byggverksamheten (Al 68-9).
Men det är en förenklad version av vad entropi är. På kvantnivå är sannolikheten högsta, och det är acceptabelt för något att vända den entropi som den har gått igenom. Det är möjligt för den ena sidan att ha en sådan skillnad än den andra. Men när du kommer till en makroskopisk skala närmar sig denna sannolikhet snabbt noll, så termodynamikens andra lag är verkligen sannolikheten för att vi går från låg entropi till hög entropi över en tidsperiod. Och när vi övergår mellan tillstånd av entropi utnyttjas energi. Detta kan göra det möjligt för ett objekts entropi att minska men systemets entropi ökar (Al 69-71, Bennet 110).
Låt oss tillämpa detta på demonen och hans låda. Vi måste tänka på systemet såväl som de enskilda facken och se vad entropin gör. Ja, entropin för varje fack verkar gå omvänd, men tänk på följande. På molekylnivå är den dörren inte så solid som den verkar vara och är egentligen inte en samling av avgränsade molekyler. Den dörren öppnas bara för att tillåta en luftström genom, men när någon av dem träffar dörren sker ett energiutbyte. Det måste hända, annars skulle ingenting hända när molekylerna kolliderar och det bryter mot många fysikgrenar. Den minsta energiöverföringen tar sig igenom de avgränsade molekylerna tills den överförs till den andra sidan, där en annan kolliderande luftmolekyl sedan kan plocka upp den energin. Så även om du fick snabba molekyler på en sida och långsamt på en annan, sker energiöverföring fortfarande. Lådan är inte riktigt isolerad då, och så ökar entropin verkligen (77-8).
Dessutom, om de snabba / långsamma facken skulle existera, skulle det inte bara finnas en skillnad i temperatur utan också i tryck, och så småningom skulle den dörren inte kunna öppnas eftersom nämnda tryck skulle tillåta de snabba molekylerna att fly till den andra kammaren . Ett litet vakuum som alstras av kraften hos partiklarna skulle kräva att de fly (Al 76, Bennett 108).
Så det är slutet på paradoxen, eller hur? Knäcka ut champagnen? Inte riktigt. Leo Szilard skrev ett papper 1929 med titeln "On the Reduction of Entropy in a Thermodynamic System by the Interference of an Intelligent Being", där han pratade om en Szilard-motor i hopp om att hitta en fysisk mekanism där någon som vet kontrollerar partikelflödet och kan bryter mot den andra lagen. Det fungerar enligt följande:
Föreställ dig att vi har en vakuumkammare med två kolvar mot varandra och en avtagbar skiljevägg mellan dem. Tänk också på en spärr som hål i den vänstra kolven och väggkontrollerna i den. En sida mäter den enskilda partikeln i kammaren (orsakar att den faller i tillstånd) och stänger dörren och stänger hälften av kammaren. (Använder inte dörrrörelsen energi? Szilard sa att det skulle vara försumbar med dynamiken i detta problem). Kolven i den tomma kammaren frigörs av spärren som informerades om den tomma kammarens identitet, vilket gör att kolven kan skjuta upp mot väggen. Detta kräver inget arbete eftersom kammaren är ett vakuum. Väggen tas bort. Partiklarna träffar kolven som nu exponeras på grund av att väggen har tagits bort och tvingar den tillbaka till sitt utgångsläge. Partiklarna tappar värmen på grund av kollisionen, men fylls på från miljön. Kolven återupptar sitt normala läge och spärren säkras och sänker väggen. Cykeln upprepas sedan på obestämd tid och nettoförlusten av värme från miljön bryter med entropin ... eller gör det det? (Bennett 112-3)
Om vi ​​har någon som medvetet styr flödet av molekylen mellan två avdelningar som vår ursprungliga installation, men där visar det sig att den energi som krävs för att flytta snabbt och långsamt på varje sida är samma som om det var slumpmässigt. Detta är inte fallet här eftersom vi nu har en enda partikel. Så det är inte lösningen vi letade efter eftersom energitillståndet redan fanns med inställningen för icke-demon. Något annat är fel (Al 78-80, Bennett 112-3).
Att något är information. Den faktiska förändringen av neurala vägar i demonen är en omkonfiguration av materien och därför energi. Därför upplever systemet som helhet med demonen och lådan en minskning av entropin, så tillsammans är termodynamikens andra lag verkligen säker. Rolf Landauer bevisade detta på 1960-talet när han tittade på datorprogrammering avseende databehandling. För att göra lite data krävs omarrangemang. Den flyttar data från en plats till en annan tar upp 2 ^ n utrymmen, där n är antalet bitar vi har. Detta beror på rörelsen av bitar och de platser de håller när de kopieras. Vad händer nu om vi rensade alla uppgifter? Nu har vi bara ett tillstånd, alla nollor, men vad hände med saken? Värmen hände! Entropin ökade även när data rensades. Detta är analogt med sinnesbehandlingsdata. För att demonen ska ändra sina tankar från stat till stat kräver entropi. Det måste hända. När det gäller Szilard-motorn, skulle spärren som har sitt minne rensad också kräva en ökning av entropin med samma mått. Folk, entropi är okej (Al 80-1, Bennett 116).
Och fysiker bevisade det när de byggde en elektronversion av motorn. I denna uppsättning kan partikeln röra sig fram och tillbaka mellan de uppdelade partitionerna via kvanttunnling. Men när en sensor applicerar en spänning, kommer laddningen att fångas i en sektion och information kommer att fås. Men den spänningen kräver värme, vilket bevisar att demonen verkligen använder energi och därmed upprätthåller den fantastiska andra lagen av termodynamik (Timmer).
Al-Khalili, Jim. Paradox: The Nine Greatest Enigmas in Physics. Broadway Paperbacks, New York, 2012: 64-81. Skriva ut.
Bennett, Charles H. "Demons, Motorer och den andra lagen." Scientific American 1987: 108, 110, 112-3, 116. Tryck.
Timmer, John. "Forskare skapar en Maxwells demon med en enda elektron." Arstechnica.com . Conte Nast, 10 september 2014. Webb. 20 september 2017.