Maxwellin demoni

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 2. kesäkuuta 2022 tarkistetusta versiosta . tarkastukset vaativat 4 muokkausta .

Maxwellin demoni on ajatuskoe vuodelta 1867, samoin kuin sen päähenkilö, mikroskooppisen kokoinen kuvitteellinen älykäs olento, jonka brittiläinen fyysikko James Clerk Maxwell keksi havainnollistamaan termodynamiikan toisen lain näennäistä paradoksia .

Paradoksin olemus

Henkinen koe on seuraava: oletetaan , että kaasuastia on jaettu läpäisemättömällä väliseinällä kahteen osaan: oikeaan ja vasempaan. Molekyylit liikkuvat satunnaisesti ( lämpöliike ). Osiossa on reikä, jossa on laite (ns. Maxwellin demoni), joka sallii nopeat (kuumat) kaasumolekyylit lentää vain aluksen vasemmalta puolelta oikealle ja hitaat (kylmät) molekyylit - vain alkaen aluksen oikea puoli vasemmalle (demoni "avaa" ja "sulkee" osion molekyylien edessä arvioiden niiden nopeutta). Sitten pitkän ajan kuluttua "kuumat" (nopeat) molekyylit ovat oikeassa astiassa ja "kylmät" vasemmassa.

Siten käy ilmi, että Maxwellin demoni sallii aluksen oikean puolen lämmittämisen ja vasemman puolen jäähdyttämisen ilman lisäenergian syöttöä järjestelmään. Aluksen oikeasta ja vasemmasta reunasta koostuvan järjestelmän entropia on suurempi alkutilassa kuin lopputilassa, mikä on ristiriidassa termodynaamisen periaatteen kanssa, jonka mukaan entropia ei laske suljetuissa järjestelmissä (katso termodynamiikan toinen pääsääntö ).

Paradoksi ratkeaa, jos tarkastellaan suljettua järjestelmää, joka sisältää Maxwellin demonin ja aluksen. Maxwell-demonin toiminnan kannalta on välttämätöntä siirtää energiaa siihen ulkoisesta lähteestä. Tämän energian ansiosta suoritetaan kuuman ja kylmän molekyylin erottaminen astiassa, eli siirtyminen tilaan, jossa on pienempi entropia. Yksityiskohtainen analyysi paradoksista demonin ( räikkä ja koira ) mekaanisessa toteutuksessa on esitetty julkaisussa Feynman Lectures on Physics , voi. 4, sekä Feynmanin suosituissa luennoissa "The Nature of Physical Laws" [1] .

Tietoteorian kehityksen myötä havaittiin, että mittausprosessi ei välttämättä johda entropian kasvuun, mikäli se on termodynaamisesti palautuva. Tässä tapauksessa demonin on kuitenkin muistettava nopeusmittausten tulokset (niiden poistaminen demonin muistista tekee prosessista peruuttamattoman). Koska muisti on äärellinen, demoni joutuu jossain vaiheessa pyyhkimään pois vanhat tulokset, mikä lopulta johtaa koko järjestelmän entropian kasvuun [2] [3] [4] .

Vuonna 2010 Chuon yliopistojen (中央大学) ja Tokion yliopiston fyysikot [5] [6] onnistuivat muuttamaan ajatuskokeen todellisuudeksi .

Vuonna 2015 autonominen keinotekoinen Maxwell-demoni toteutettiin yksielektronitransistorina suprajohtavilla alumiinijohtimilla. Tällainen laite mahdollistaa suuren määrän mittausoperaatioita lyhyessä ajassa [7] [8] [9] .

Maxwellin demonin ideaa on käytetty merkittävästi biologisen evoluution analysoinnissa. Analogisesti otettiin käyttöön käsite Darwinin demoni . [kymmenen]

Szilard Engine

Muunnelma Maxwellin demonista on Szilard-moottori. Se on astia, jossa on pieni määrä molekyylejä, jossa on kaksi mäntää reunoilla ja väliseinä keskellä. Kun kaikki molekyylit ovat astian toisessa puoliskossa, väliseinä lasketaan ja toisen puoliskon mäntä liikkuu kohti väliseinää kuluttamatta energiaa. Sitten väliseinä nousee ja kaasu toimii palauttaen männän alkuperäiseen asentoonsa [4] .

Selitys Maxwellin paradoksille

Maxwellin paradoksi ratkaisi ensimmäisen kerran Leo Szilard vuonna 1929 [11] seuraavan analyysin [12] perusteella .

Demonin on käytettävä jonkinlaista mittauslaitetta molekyylien nopeuden arvioimiseen, kuten sähköistä taskulamppua. Siksi on tarpeen ottaa huomioon järjestelmän entropia, joka koostuu demonin vakiolämpötilassa olevasta kaasusta ja taskulampusta, mukaan lukien ladattu akku ja sähkölamppu. Akun on lämmitettävä taskulampun hehkulanka korkeaan lämpötilaan saadakseen valokvantit energialla , jotta valokvantit tunnistetaan lämpösäteilyn ja lämpötilan taustalla. $T_{0},$ $T_{1}>T_{0},$ $\hbar \omega _{{1}}>T_{{0}}$ $T_{0}.$

Demonin puuttuessa hehkulampun lämpötilassa lähettämä energia absorboituu kaasuun lämpötilassa ja yleensä entropia kasvaa : koska $E$ $T_{{1}}$ $T_{{0}}$ $\Delta S={\frac {E}{T_{0}}}-{\frac {E}{T_{1}}}>0,$ ${\frac {\hbar \omega _{1}}{T_{0}}}>1,$ ${\frac {p}{\Omega _{0))}\ll 1.$

Demonin läsnä ollessa entropian muutos: Tässä ensimmäinen termi tarkoittaa entropian kasvua, kun taskulampun lähettämä valon kvantti osuu demonin silmään, ja toinen termi tarkoittaa entropian vähenemistä, joka johtuu järjestelmän tilastollisen painon pieneneminen arvolla, mikä johtaa entropian pienenemiseen arvolla $\Delta S={\frac {\hbar \omega _{1}}{T_{0}}}-{\frac {p}{\Omega _{0}}}>0.$ $\Omega _{{0}}$ $p,$ $\Delta S_{s}=S_{1}-S_{0}=\ln(\Omega _{0}-p)-\ln \Omega _{0}\noin -{\frac {p} {\Omega _{0}}}.$

Tarkastellaan tätä prosessia yksityiskohtaisemmin. Olkoon kaasuastia jaettu kahteen osaan ja lämpötiloineen Oletetaan, että demoni valitsee nopeasti liikkuvan molekyylin, jolla on kineettinen energia alhaisen lämpötilan alueella ja ohjaa sen alueelle. Sen jälkeen hän valitsee hitaasti liikkuvan molekyylin, jolla on kineettistä energiaa . korkean lämpötilan alueelle ja ohjaa sen alueelle $A$ $B$ $T_{B}>T_{A},\quad T_{B}-T_{A}=\Delta T,\quad T_{B}=T_{0}+{\frac {1}{2} }\Delta T,\quad T_{A}=T_{0}-{\frac {1}{2}}\Delta T.$ ${\frac {3}{2}}T(1+\epsilon _{{1}})$ $A$ $b.$ ${\frac {3}{2}}T(1-\epsilon _{{2}})$ $B$ $A.$

Näiden kahden molekyylin esivalitsemiseksi demoni tarvitsee vähintään kaksi valokvanttia, mikä johtaa entropian kasvuun osuessaan hänen silmäänsä. $\Delta S_{d}=2{\frac {\hbar \omega _{1}}{T_{0}}}>2.$

Molekyylien vaihto johtaa kokonaisentropian vähenemiseen . Määrät ja ovat todennäköisesti pieniä, ja siksi $\Delta S_{m}=\Delta Q\left({\frac {1}{T_{B))}-{\frac {1}{T_{A))}\right)\approx -\ Delta Q{\frac {\Delta T}{T^{2}}}=-{\frac {3}{2}}\left(\epsilon {1}+\epsilon _{2}\right){\ frac {\Delta T}{T)).$ $\epsilon {1}$ $\epsilon {2},$ $\Delta T\ll T$ $\Delta S_{m}=-{\frac {3}{2}}\nu ,\quad \nu \ll 1.$

Joten kokonaismuutos entropiassa tulee olemaan $\Delta S=\Delta S_{d}+\Delta S_{m}=2{\frac {\hbar \omega _{1}}{T_{0}}}-{\frac {3}{ 2}}\nu >0.$

Demonin lämpötila voi olla paljon alhaisempi kuin kaasun lämpötila . Samalla se voi vastaanottaa valokvantteja kaasumolekyylien säteilemän energian kanssa lämpötilassa. Sitten yllä oleva päättely voidaan toistaa ehdoilla korvatuilla ehdoilla $T_{d}\ll T_{0}.$ $\hbar \omega$ $T_{0}.$ $T_{1}>T_{0},\quad \hbar \omega _{1}>T_{0}$ $T_{2}<T_{0},\quad \hbar \omega _{1}>T_{2}.$

Teoreettinen toteutus

Vuonna 2018 yhdysvaltalaiset fyysikot tilasivat 50 cesiumatomin järjestelmän, joka sijoitettiin kolmiulotteiseen optiseen ansaan käyttämällä Maxwellin demonin todellista analogia [13] .

Käytännön toteutus

6. huhtikuuta 2020 Physical Review B -lehdessä julkaistiin artikkeli kahden kvanttipisteen järjestelmän luomisesta yhden elektronin siirtymillä Maxwell-demonin termodynaamisten ominaisuuksien arvioimiseksi ottaen huomioon tiedot ja sen paluutoiminnot. mittaukset [14] .

Populaarikulttuurissa

Fiktiossa

Strugatskin veljien tarinassa " Maanantai alkaa lauantaina " NIICHAVOn hallinto mukauttaa Maxwellin demonit avaamaan ja sulkemaan instituutin sisäänkäynnin ovet.
Sergei Snegovin tarinassa "Oikeus etsiä" yhtä hahmoista kutsuttiin "Maxwellin demonilordiksi" "...miksi käytän outoa lempinimeä Demon Lord? Tietysti korjasin sen: en ollenkaan Demon Lord, vaan Maxwellin Demon Lord… Pystyin itse asiassa toteuttamaan Maxwellin loistavan idean."
Stanisław Lemin Cyberiadissa Maxwellin demonia kutsutaan "ensimmäisen luokan demoniksi". Kirjan sankarit luovat "toisen tyypin demonin", joka pystyy poimimaan merkityksellistä tietoa ilmamolekyylien liikkeestä.
Christopher Stashefin fantasiassa " Mage in Her Majesty's Court ", " Mage Healer ", " Mage Bound by Oath " Maxwellin demoni kutsutaan loitsun avulla ja se muistuttaa ominaisuuksiltaan maagista henkiä . Hän suostuu täyttämään päähenkilön toiveet, koska hän tuntee fysiikan lait hyvin. Se näyttää "äärittömän kirkkaalta" pisteeltä, joka leijuu ilmassa. Teoksissa demoni itse kutsuu itseään turmeluksen demoniksi.
Samannimisessä esseessään Ken Kesey kääntää paradoksin termodynamiikan alalta sosiologian alalle yksinkertaisesti korvaamalla "lämmin" "hyvällä" ja "kylmä" "pahalla", mikä todistaa länsimaisen arvojärjestelmän epäonnistumisen.
Paul Di Filippon "Any Cool Dude" -elokuvassa Maxwellin demonit tarjoavat energiaa Afrikassa sijaitsevalle "Maxwellin maalle". Tämän energian varaan rakennetaan poliittisesti riippumaton tieteellinen ja tekninen utopistinen yhteiskunta.
Thomas Pynchonin romaani Lot 49 Shouted Out kuvaa laitetta, niin sanottua "Nefastis-konetta", joka käyttää Maxwellin demonia; sen aktivoimiseksi pitäisi "katsoa tarkasti James Maxwellin kuvaa, keskittää ajatus johonkin sylinteristä - oikealle tai vasemmalle, ja sitten demoni nostaa lämpötilaa tässä sylinterissä."
Max Frischin romaanissa Homo Faber päähenkilön tutkielma on nimeltään "Niin kutsutun Maxwellin demonin merkityksestä".
Mangassa My Goddess ! » Maxwellin demoni on Belldandin ( Verdandin ) luudan varren etupäässä. Koska demoni kulkee vain nopeita ilmakaasumolekyylejä yhteen suuntaan, syntyy suihkun työntövoima ja luuta voi lentää. Kuvattu miniatyyrina J. Maxwell karikatyyrinä.
Esiintyy Georgy Gamow'n kirjassa The Adventures of Mr. Tompkins.

Pelissä

Maxwell (William Carter) [15] on Don't Starven tärkein antagonisti , mahdollisesti viittaus demoni Maxwelliin. Pahalla tahtollaan hän lähettää 9 eri sankaria mystiseen, luultavasti itse luomaansa maailmaan (jonka hän itse on vankina), jossa heidän on selviydyttävä. Saatavana myös pelattavana hahmona.
Pelin Max Payne 2 "Maxwell's Demon" on hahmo yhdestä TV-sarjasta, jota näytetään televisiossa lähetysten aikana.

Animessa

El Cazador -animessa päähenkilö Ellisillä on heräävä voima, joka voi hallita demoni Maxwellia.

Elokuvissa

Sarjan " Numerot " 5. kauden 11. jaksossa Charles kertoo kokeen olemuksesta, johon hänen isänsä Alan vastaa, että mikään elämässä ei toimi ikuisesti - jokin varmasti rikkoutuu, mikä rikkoo paradoksia.
Elokuvassa Velvet Goldmine nähdään rocktähti Brian Sladen alter ego "Maxwell the Demon".
Christopher Nolanin elokuvassa Tenet Maxwellin demoni mainitaan piirustuksena seinällä huoneessa, jossa päähenkilön alkukoulutus tapahtui. Elokuvan sankarit käyttävät eräänlaista kahden huoneen konetta, joka pystyy kääntämään ihmiset ja esineet ajallaan ylösalaisin. Elokuvan muissa osissa puhutaan "käänteisestä entropiasta".

Katso myös

Demoni Laplace
Yarzinsky yhtälö
Darwinin demoni

Muistiinpanot

↑ Feynman R. Fysikaalisten lakien luonne. Ed. 2nd, rev. - M .: Nauka , 1987. - (Kvanttikirjasto. Numero 62.) Luento 5. Ero menneisyyden ja tulevaisuuden välillä. Arkistoitu 28. elokuuta 2016 Wayback Machinessa
↑ Harvey S. Leff, Andrew F. Rex. Maxwellin demoni 2: Entropia, klassinen ja kvanttiinformaatio, tietojenkäsittely. CRC Press, 2002, ISBN 0750307595 , Google-kirjojen linkkisivu 370 .
↑ Kadomtsev B. B. Dynamiikka ja tiedot Arkistokopio 6. lokakuuta 2014 Wayback Machinessa // Uspekhi Fizicheskikh Nauk . T. 164. 1994, nro 5 - S. 450-530.
↑ 1 2 Bennet Ch. G. Demonit, moottorit ja termodynamiikan toinen pääsääntö. // Tieteen maailmassa , 53, 1988, nro 1.
↑ Japanilaiset loivat Maxwell-demonin (pääsemätön linkki) . membrana.ru (16. marraskuuta 2010). Haettu 16. marraskuuta 2010. Arkistoitu alkuperäisestä 27. elokuuta 2011. (määrätön)
↑ プレスリリース | 中央大学(downlink) . Haettu 16. marraskuuta 2010. Arkistoitu alkuperäisestä 21. marraskuuta 2010. (määrätön)
↑ Fys. Rev. Lett. 115, 260602 (2015) - On-Chip Maxwellin demoni tietokäyttöisenä jääkaapina . Haettu 14. tammikuuta 2016. Arkistoitu alkuperäisestä 10. huhtikuuta 2019. (määrätön)
↑ Fyysikot loivat demoni Maxwellin arkistokopion 14. tammikuuta 2016 Wayback Machinessa // Lenta.ru
↑ Miksi fyysikot loivat Maxwell-demonin Arkistoitu 14. tammikuuta 2016 Wayback Machinessa // Lenta.ru
↑ Gorban A.N. , Khlebopros R.G. Darwinin demoni. Idea optimaalisuudesta ja luonnollisesta valinnasta . M.: Nauka (fysikaalisen ja matemaattisen kirjallisuuden päätoimittaja), 1988.
↑ Leo Scilard. Zs. Physik 58, 840 (1929).
↑ Tiede ja informaatioteoria, 1960 , s. 217-240.
↑ Dmitri Trunin. Maxwellin demoni järjesti atomit kolmiulotteiseen optiseen hilaan . nplus1.ru. Haettu 8. huhtikuuta 2020. Arkistoitu alkuperäisestä 24. heinäkuuta 2020. (määrätön)
↑ Artem Moskin. Fyysikot ovat sijoittaneet Maxwellin demonin kahden kvanttipisteen väliin . nplus1.ru. Haettu 8. huhtikuuta 2020. Arkistoitu alkuperäisestä 11. huhtikuuta 2020. (määrätön)
↑ Maxwell . Älä nälkään Wikiä. Haettu 11. maaliskuuta 2019. Arkistoitu alkuperäisestä 12. elokuuta 2020. (Venäjän kieli)

Kirjallisuus

Robert Piotrowski. Demoni Maxwell. Dzieje i filozofia pewnego eksperymentu . - 1. - Warszawa: Wydawnictwo Akademickie Dialog, 2011. - 332 s. - ISBN 978-83-61203-65-0 . Arkistoitu 28. lokakuuta 2012 Wayback Machinessa
Brillouin L. Tiede ja informaatioteoria. - M .: Fizmatlit, 1960. - 495 s.