I slutningen af det 19. århundrede foreslog den britiske fysiker James Maxwell et tankeeksperiment, der tilsyneladende overtræder termodynamikens love. Som et resultat blev den centrale karakter af dette eksperiment navngivet Maxwells dæmon. Lad os prøve at finde ud af, hvad der er bemærkelsesværdigt ved denne fiktive enhed.
Maxwells dæmon er en hypotetisk enhed foreslået af James Clerk Maxwell i et af hans tankeeksperimenter, formodentlig i 1871.
Hvad har dæmonen og Maxwell at gøre med det? Generelt er essensen, der er foreslået af Maxwell, en slags modstridende gud fra maskinen, kan man sige, efter at have opdaget en måde at omgå en af de mest fundamentale og ubestridelige love i universet - den anden lov om termodynamik. Oprindeligt tog forskerens kolleger ikke tankeeksperimentet alvorligt og var endda forvirrede, fordi denne "essens" kunne betyde, at du endelig kan glemme at spilde kul og bare uendeligt få et job, faktisk ud af ingenting.
Og nu vil vi forsøge at finde ud af, hvorfor Maxwells dæmon forårsagede forvirring blandt videnskabens lysarmaturer i slutningen af det 19. århundrede.
Maxwells dæmon - et smuthul i entropi
Maxwells tankeeksperiment blev oprindeligt nævnt i videnskabsmandens korrespondance med Peter Tate omkring 1867. Det blev senere introduceret til offentligheden i Maxwells bog om termodynamik kaldet Theory of Heat, udgivet i 1872.
James Clerk Maxwell / Gresham College.
Salgsfremmende video:
På trods af at Maxwell selv aldrig brugte ordet "dæmon", da han beskrev eksperimentet, åbnede hans agent døren (i skillevæggen i vores gaskasse) mellem kamrene som et "begrænset væsen." Denne enhed blev først navngivet "dæmon" af William Thomson, kendt som Lord Kelvin, for at beskrive Agent Maxwell i Nature i 1874. Som en begrundelse argumenterede han for, at han ønskede at betegne essens formidlende natur på denne måde og under ingen omstændigheder ville fokusere på den negative konnotation af selve ordet.
Så tilbage til eksperimentet. Dette er primært et lukket system. Det foreslåede apparat består af en simpel kuboid, der indeholder noget vilkårlig gas. Cuboidet er opdelt i to lige store sektioner med den samme, ensartede temperatur. På væggen, der adskiller sektionen, sidder en dæmon og vælger omhyggeligt tilfældigt spredte partikler, så alle partikler med høj kinetisk energi samles i et afsnit, mens resten - med lav kinetisk energi - forbliver i et andet.
Vi kan sige, at denne dæmon er en metafor for en enhed eller en maskine, der er i stand til omhyggeligt at analysere hastigheden eller den kinetiske energi af hver partikel i enhver beholder. Baseret på sin analyse kan tilpasningen bestemme nøjagtigt, hvilke partikler den groft sagt skal holde for sig selv, og hvilke - slippe af med.
Til venstre: to sektioner fyldt med gas. Til højre: Maxwells dæmon, der åbner og lukker døren i skillevæggen mellem sektionerne / J. Hirshfield.
I mellemtiden modsiger dette den almindeligt accepterede opfattelse af, at gaspartikler ved en konstant temperatur bevæger sig med samme hastighed. Ikke desto mindre er den samme hastighed deres gennemsnitlige hastighed, hvilket betyder, at der er partikler, der bevæger sig med en højere hastighed, og at der er partikler, der bevæger sig med en lavere hastighed, hvilket reducerer alt til en gennemsnitlig værdi.
Gennem denne proces - handlingerne fra dæmonen Maxwell - drives alle højenergipartikler efterfølgende ind i et afsnit. Dæmonen hævede temperaturen på den ene del af kassen sammenlignet med den anden. Denne overskydende temperatur eller dette tryk kan bruges til at drive turbinen eller stemplet. Ja, det følger, at vi får energi fra bogstaveligt talt ingenting. Med andre ord har dæmonen reduceret entropi uden at bruge nogen anstrengelse.
Det er imidlertid nødvendigt at forstå, at den listige dæmon brugte sine tricks og som et resultat var i stand til at modsige loven om entropi, men han overtrådte ikke loven om bevarelse af energi. Han distribuerede simpelthen tilfældig kinetisk energi for at skabe en trykforskel, der er tilstrækkelig til at trække energi fra et oprindeligt afbalanceret system. Demonens listige bedragede selve naturen!
Kan et sådant apparat eksistere?
Uanset hvad det er, kan et sådant apparat ikke oprettes i virkeligheden. Naturen bedrages ikke let. Naturligvis var den snedige og kloge dæmon i stand til at undgå de undertrykkende sanktioner i den anden lov om termodynamik, men han kan ikke komme væk fra det alsidige øje med den første lov om termodynamik.
Ifølge termodynamikens første lov er ingen maskiner i stand til at fungere uden en varmekilde, og i arbejdsprocessen kan den også delvist absorbere den. Eller procesydelsen når aldrig 100 procent. Ikke kun har maskiner brug for stimulansen i form af varme, de har også brug for at absorbere den og derved hæve deres egen temperatur.
Omdannelsen af termisk energi til mekanisk energi i dampmaskiner er ikke absolut. Noget af varmen absorberes af selve motoren, hvilket reducerer den samlede ydeevne og øger entropien omkring den.
Hvis dæmonen er en højteknologisk maskine, der selektivt sporer bestemte partikler, opstår spørgsmålet: hvor får den energi fra at udføre sit job? Selvom han på en eller anden måde formår at gøre dette, nægter udvidelsen i forhold til maskinens termiske ydeevne stadig muligheden for et fald i entropi.
Overgangen til et lukket system fra lav entropi til høj / sokratisk.
En dæmon eller maskine skulle få information om partiklerne. Tag f.eks. Fotoner. I processen med at interagere med dem vil et komplekst apparat som Maxwells dæmon uundgåeligt bruge energi og absorbere noget af selve varmen, øge den samlede entropi og bringe den tilbage til sin oprindelige værdi.
Pointen med argumentet er, at i henhold til beregninger vil enhver dæmon uundgåeligt "generere" mere entropi ved at adskille molekyler, end han nogensinde kan "ødelægge" den - dette er i overensstemmelse med de principper, som den er baseret på. Med andre ord ville det tage meget mere termodynamisk arbejde at bestemme molekylernes hastighed og vælge dem til at passere gennem døren mellem sektionerne end den mængde energi, der er opnået ved temperaturforskellen, der opstod efter det udførte arbejde.
Uanset hvad det skal være, skal det bemærkes, at Maxwell var meget listig. Men hvis det ikke var den første lov om termodynamik, ville intet have reddet den anden lov fra offentlig skam.
Vladimir Guillen