A Maxwell démonja egy gondolatkísérlet, amelyet James Clerk Maxwell dolgozott ki 1867-ben, arra utalva, hogy a termodinamika második törvénye csak így igaz a statisztikákra . Ez a törvény megállapítja a statisztikai fizikai jelenségek és különösen a hőátadások visszafordíthatatlanságát , ami az entrópia folyamatos növekedését eredményezi . Például, ha nyitva hagyjuk egy kikapcsolt hűtőszekrény ajtaját, akkor a hűtőszekrény és a szoba hőmérséklete kiegyenlítődik, és ez visszafordíthatatlanul energia bevitel nélkül. Maxwell démonkísérlete azonban olyan eljárást javasol, amely lehetővé teszi az egyenlőtlen hőmérsékleti állapotba való visszatérést, energiafogyasztás nélkül és az entrópia csökkentésével, ami a termodinamika második törvénye szerint elvileg lehetetlen.
Ez a paradoxon az 1871-es megfogalmazása óta számos tanulmányt és vitát váltott ki és vált ki, és több mint fél évszázadon keresztül nem haladt annyira, míg Szilárd Leó 1929-ben nem javasolta Maxwell fizikai modelljét. démon, amely lehetővé teszi a folyamat pontos és formális tanulmányozását.
Húsz évvel később, 1949-ben , Léon Brillouin megoldást javasolt a paradoxonra, hangsúlyozva a démon információszerzésének szükségességét , és megmutatta, hogy ez a megszerzés növeli a rendszer entrópiáját és megmenti a második törvényt. Miután a tudományos közösség nagyobb része elfogadta, ezt a megoldást egyre inkább megkérdőjelezték, különösen az automatikus "démonok" modelljeinek felállításával, ahol az információ megszerzése nem játszik szerepet. Kritizálták Brillouin kapcsolatát az entrópia és az információelmélet között .
Új fordulópont történt 1961-ben , amikor Rolf Landauer - Charles Bennett követésével - kiemelte az információk memorizálásának fontosságát, és különösen annak szükségességét, hogy ezt a memóriát törölni kell a teljes termodinamikai ciklus végrehajtása érdekében. Az entrópia költségekkel járó memória törlése visszaállítja a termodinamika második elvét.
A modernebb , Maxwell démonjának kvantumváltozatait tartalmazó tanulmányok , amelyeket különösen Wojciech Hubert Zurek végzett az 1980-as években, megerősítik Landauer elvét . A második elvet kihívó gondolatkísérletek új modelljeit azonban továbbra is a 2000-es években javasolták, vagy nem követelték meg az információ törlését, vagy egyáltalán nem használták az információ fogalmát, vagy akár démonokat, de kihasználva olyan speciális feltételeket, mint a nem euklideszi geometriák , kvantumos összefonódás vagy erőtér.
Maxwell démonkísérlete egy gázt tartalmazó dobozból áll, amelynek két rekesze (A és B) molekuláris skálán P kapuval van elválasztva; "démon" parancsolja az ajtót. Az ajtó működése nem pazarolja az energiát. Maxwell feltételezi, hogy az emberek akkoriban kezdték beismerni, hogy a gáz mozgó molekulákból áll. A démon képes meghatározni a molekulák sebességét, és a molekulák állapotától függően ellenőrzi az ajtó nyitását vagy zárását.
Innentől kezdve az élménynek több változata van.
Eredeti változatában a hőmérséklet a B rekeszben magasabb, mint az A rekeszben. A hőmérséklet azonban arányos a molekulák négyzetgyökének középértékével . A démon a B rekeszből az A rekeszbe engedi át a B molekulákat lassabban, mint az A rekesz molekuláinak átlagos sebessége, és A-ból B-be gyorsabban engedi át az A molekulákat, mint a B-ben lévő molekulák átlagos sebessége. a hőmérséklet a B-ben megemelkedett, míg az A hőmérséklete csökkent: ezért hideg forrást hűtöttünk forró forrásból, amelyet a termodinamika második törvénye tiltani szándékozik. A rendszer teljes entrópiája ezért csökken .
Egy változatban a démon megnyitja az ajtót azoknak a molekuláknak, amelyek be akarnak lépni az első rekeszbe (A), de bezárja az ajtót a távozni vágyók előtt. Így a molekulák spontán, munka nélkül haladnak B-ről A-ra. A démon növeli az A rekesz belsejében lévő energiát és csökkenti a B rekeszben: ezért lehetséges lenne a démon birtokában lévő információk felhasználásával (molekulák felismerése és válogatás) ennek alapján) a termikus keverés kinetikus energiájának munkává alakítására .
A két helyzet egyenértékű, mivel az első kísérlet végső helyzetéből könnyen át lehet térni a második helyzetre.
Nagyrészt többségi álláspont szerint , ezt az emelést Léon Brillouin fizikus hajtotta végre .
A démon, hogy meghozza a részecskék átengedésének vagy visszaküldésének döntéseit, köteles megfigyelni, ezért felhasználja a rendelkezésére álló információkat. Az ez által képviselt információmennyiség minimális, de ha mikroszkopikus szintre megyünk, 10 23- szor több molekulával, fontos a Maxwell démona által így felhasznált információ, amelyről azt feltételezik, hogy a makroszkopikus megfigyelő nem áll rendelkezésre. A démon számára hozzáférhető információk felhasználásából eredő csökkenés az entrópiában pontosan megfelel a makroszkopikus megfigyelő számára hozzáférhető információk és a démon számára hozzáférhető információk közötti különbségnek. A makroszkopikus megfigyelő számára annak lehetetlensége, hogy ugyanúgy cselekedjünk, mint a démon, ezért attól a hipotézistől függ, hogy mely szerint a démon számára hozzáférhető információk átvételéhez a makroszkopikus megfigyelő számára a mechanikai energia hővé történő lebontása szükséges a legalább annyi információ (számszerűsítve makroszkopikus entrópiával), mint amennyit az információszerzési művelettel állítólag meg kell menteni.
Léon Brillouin hasonlóképpen felvet egy ugyanilyen sorrendű paradoxont , ahol a démon helyét egyszerű racsnis kerék váltja fel .
Hasonló érveléssel az entrópia növekedését tapasztaljuk, és a termodinamika második törvényét tiszteletben tartják.
Érdekes azonban összefoglalni az érvet. A termodinamika második elvének tiszteletben tartása (nagyjából az, hogy a monoterm ciklus alatt a hő nem alakulhat át munkává) azon a tényen alapul, hogy a megfigyelő rendelkezésére álló információ maximális mennyisége egy elszigetelt rendszeren (amelynek része) szükségszerűen kevesebb, mint a rendszer mikrofizikai állapotának teljes jellemzéséhez szükséges információmennyiség, kevesebb, mint amely a számára hozzáférhetetlen , feltéve, hogy hozzáadják azt a hipotézist, hogy a megfigyelő számára elérhetetlen információmennyiség szükségszerűen nagyobb vagy egyenlő a makroszkopikus entrópiával figyelembe vett izolált rendszer. Elgondolkodhat a fizikai alapjellem vagy a technológiai jellege, ellentétben ezzel a korlátozással.