Демон Максвелла | [Невозможные изобретения]

Но ведь потребности человека фактически не удовлетворимы, а границы желаемого расширяются намного быстрее, пределов достижимого.
Поэтому даже ученые иногда прибегают к помощи демонов, особенно когда им необходимо бросить вызов какому-нибудь фундаментальному научному закону. Например, второму началу термодинамики, неумолимая суровость которого, теоретически когда-нибудь приведет к концу своего существования всю нашу Вселенную.
И вот, примерно полтора века назад, чтобы обойти этот закон Джеймс Клерк Максвелл призвал демона, которого теперь все так и называют - «демон Максвелла».
Правда «демоном» его назвал другой знаменитый ученый - Уильям Томсон, которого в свою очередь королева Виктория в благодарность за заслуги перед короной нарекла «бароном Кельвином», именем, под которым он с тех пор и известен всему миру.
Кстати, Томсон в 1851 году и сформулировал одно из определений второго закона термодинамики, который в его интерпретации звучит следующим образом: невозможен процесс, единственным результатом которого является получение системой теплоты от одного источника (теплового резервуара) и выполнение ею эквивалентного количества работы.
При этом Томсон опирался на исследования Сади Карно, который в 1824 году в своей работе «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу», посвящённой паровым машинам, первым сформулировал идею, заложившую основу для понимания второго начала термодинамики:
при отсутствии разности температур теплота не может быть преобразована в работу; для постоянного
производства работы тепловой машине необходимо иметь по крайней мере два тепловых резервуара с различными температурами — нагреватель и холодильник.
Но и здесь, если говорить о названиях, не все просто и однозначно. На самом деле, исторически первая формулировка закона и его определение «вторым началом термодинамики» принадлежат Рудольфу Клаузиусу.
Более того, понятие энтропии, её обозначение и название тоже были введены Клаузиусом в 1865 году.
Хотя, когда речь заходит об энтропии, большинство в первую очередь вспоминает Людвига Больцмана.
Итак, «демон» впервые появился в письме, которое Максвелл написал Питеру Гатри Тейту 11 декабря 1867 года в виде описания мысленного эксперимента, гипотетически позволяющего нарушать второй закон термодинамики. Позже он снова появился в письме Джону Уильяму Стратту в 1871 году, и только потом он был окончательно представлен публике в книге Максвелла 1872 года по термодинамике под названием «Теория тепла».
В своих письмах и книгах Максвелл описывал агента, открывающего дверь между комнатами, как «определенное существо» ("finite being"). Как уже упоминалось, Уильям Томсон, он же лорд Кельвин, первым использовавший слово «демон» для концепции Максвелла в журнале Nature в 1874 году, на самом деле имел в виду посредническую, а не злобную коннотацию этого слова.
Согласно описанию Максвелла суть его мысленного эксперимента состоит в следующем:
представим себе герметичный контейнер, разделенный на две одинаковые части A и B газонепроницаемой перегородкой, в которой имеется единственная дверца. В начале опыта обе половины заполнены газом определенной температуры. Как известно температура вещества зависит от средней скорости движения молекул в нем, но при этом отдельные молекулы двигаются с разной скоростью - есть быстрые и медленные молекулы. Задача «демона» состоит в том, чтобы распознавать и отслеживать быстрые и медленные молекулы, и открывать дверцу в нужный момент, чтобы молекулы с высокой кинетической энергией переходили из секции от A в секцию B, а молекулы с низкой кинетической энергией из B в A. Таким образом, он без затрат работы поднимет температуру секции B и понизит температуру секции A, что противоречит второму закону термодинамики.
При этом тепловая машина, работающая между секциями A и B, могла бы извлечь полезную работу из этой разницы температур.
Но это было бы слишком здорово, практически прямой путь к созданию вечного двигателя.
Все надежды на привлечение «демона Максвелла» к такому нужному делу были развеяны в 1929 году Лео Сцилардом. Сцилард обратил внимание на то, что реальный демон Максвелла должен иметь какие-то средства измерения молекулярной скорости и что получение информации тоже потребует затрат энергии. Поскольку демон и газ взаимодействуют, следует учитывать общую энтропию газа и демона вместе взятых. Расход энергии демоном вызовет увеличение энтропии демона, которое будет больше, чем понижение энтропии газа.
Звучит исчерпывающе! Казалось бы, вопрос закрыт? Снова «невозможное изобретение»!
И да, и нет.
Да – такое изобретение воплотить невозможно. Но, нет - вопрос не закрыт до сих пор.
Поскольку нарушение законов физики, в отличие от прочих законов, не грозит перспективой наказания, а вот на премию типа Нобелевской нарушитель вполне может рассчитывать, то желающих представить миру свою версию демона Максвелла превеликое множество.
Только за последнее десятилетие было предпринято несколько эффектных попыток.