Демон Максвелла

Що таке "демон Максвелла" і чому вже півтора століття він хвилює великих вчених? Все просто. Вчені шукають такі процеси, які б дозволяли теплу переходити від тіл, менш нагрітих до тіл нагрітих. Але ми знаємо, що тепло може переходити тільки від гарячих тіл до холодних. Це називається другим началом термодинаміки, якому кинув виклик "демон Максвелла".

Вирішити таке завдання спробував у 1871 р. великий англійський вчений Джеймс Максвелл. Якась фантастична істота – "демон Максвелла" мала функції такого механізму. "Демон Максвелла" має такі витончені здібності, що може стежити за кожною окремою молекулою в її рухах і знати її швидкість. Якщо взяти посудину, розділену перегородкою на дві частини, і "демон Максвелла" сидітиме біля дверцят у перегородці, ми зможемо змусити його відкривати дверцята тільки перед швидкими або лише повільними молекулами. "Демон Максвелла" пропускатиме швидкі молекули в одну частину судини, а повільні - в іншу, тоді в одній частині судини і температура, і тиск виявляться вищими, ніж в іншій, тобто ми без витрати отримаємо необмежений запас енергії. Ентропія для системи, що складається з правої та лівої частини судини, у початковому стані більша, ніж у кінцевому, що суперечить термодинамічного принципу невтрати ентропії в замкнутих системах.

Парадокс дозволяється, якщо розглянути замкнуту систему, що включає "демона Максвелла" і посудину. Для функціонування "демона Максвелла" потрібна передача йому енергії від стороннього джерела. За рахунок цієї енергії проводиться поділ гарячих і холодних молекул у посудині, тобто перехід у стан з меншою ентропією.

З розвитком теорії інформації було встановлено, що процес вимірювання може і не спричиняти збільшення ентропії за умови, що він є термодинамічно оборотним. Однак у цьому випадку демон повинен запам'ятовувати результати вимірювання швидкостей (стирання їх із пам'яті демона робить процес незворотним). Оскільки пам'ять кінцева, у певний момент "демон Максвелла" змушений стирати старі результати, як і призводить зрештою до збільшення ентропії всієї системи загалом.

Багато разів вчені переконливо доводили, що "демон Максвелла" лише жарт великого фізика. Дійсно, "демон Максвелла" у посудині з двома молекулами неефективний; вони в половині випадків могли б опинитися в одній частині судини. Якщо молекул багато, то ймовірність подібного випадку надзвичайно мала.

Однак пристрасті не вгамовуються, "демон Максвелла" намагається знайти все нові аргументи на свій захист. В одному з наукових журналів, у статті, присвяченій цій проблемі, серйозно говориться, що "демон Максвелла" існує лише у вигляді квантового генератора - лазера, який відокремлює збуджені молекули з великою енергією від незбуджених молекул.

Однак, досі немає ні суворих доказів, що "демон Максвелла" існує, ні суворих спростувань цього. "Демон Максвелла" підігріває інтерес до подальших пошуків.