Demônio de Maxwell - Maxwell's demon

Figura esquemática do experimento mental do demônio de Maxwell

O demônio de Maxwell é um experimento mental que hipoteticamente violaria a segunda lei da termodinâmica . Foi proposto pelo físico James Clerk Maxwell em 1867.

No experimento mental, um demônio controla uma pequena porta sem massa entre duas câmaras de gás. Conforme as moléculas de gás (ou átomos) individuais se aproximam da porta, o demônio rapidamente abre e fecha a porta para permitir que apenas moléculas de movimento rápido passem em uma direção e apenas moléculas de movimento lento passem na outra. Como a temperatura cinética de um gás depende das velocidades de suas moléculas constituintes, as ações do demônio fazem com que uma câmara se aqueça e a outra resfrie. Isso diminuiria a entropia total dos dois gases, sem aplicar nenhum trabalho , violando assim a segunda lei da termodinâmica.

O conceito de demônio de Maxwell provocou um debate substancial na filosofia da ciência e na física teórica , que continua até os dias atuais. Ele estimulou o trabalho sobre a relação entre a termodinâmica e a teoria da informação . A maioria dos cientistas argumenta, em bases teóricas, que nenhum dispositivo prático pode violar a segunda lei dessa maneira. Outros pesquisadores implementaram formas do demônio de Maxwell em experimentos, embora todos eles difiram do experimento mental até certo ponto e nenhum deles tenha violado a segunda lei.

Origem e história da ideia

O experimento mental apareceu pela primeira vez em uma carta que Maxwell escreveu a Peter Guthrie Tait em 11 de dezembro de 1867. Ele apareceu novamente em uma carta a John William Strutt em 1871, antes de ser apresentado ao público no livro de Maxwell de 1872 sobre termodinâmica intitulado Teoria do Calor .

Em suas cartas e livros, Maxwell descreveu o agente abrindo a porta entre as câmaras como um "ser finito". William Thomson (Lord Kelvin) foi o primeiro a usar a palavra "demônio" para o conceito de Maxwell, na revista Nature em 1874, e deu a entender que pretendia a mitologia grega interpretar um demônio , um ser sobrenatural trabalhando em segundo plano, ao invés de um ser malévolo.

Experiência de pensamento original

A segunda lei da termodinâmica garante (através da probabilidade estatística) que dois corpos de temperatura diferente , quando colocados em contato um com o outro e isolados do resto do Universo, irão evoluir para um equilíbrio termodinâmico no qual ambos os corpos têm aproximadamente a mesma temperatura. A segunda lei também é expressa como a afirmação de que, em um sistema isolado , a entropia nunca diminui.

Maxwell concebeu um experimento mental como uma forma de aprofundar a compreensão da segunda lei. Sua descrição do experimento é a seguinte:

... se concebermos um ser cujas faculdades são tão aguçadas que ele pode seguir cada molécula em seu curso, tal ser, cujos atributos são tão essencialmente finitos quanto os nossos, seria capaz de fazer o que é impossível para nós. Pois vimos que as moléculas em um recipiente cheio de ar em temperatura uniforme estão se movendo com velocidades não uniformes, embora a velocidade média de qualquer grande número delas, selecionadas arbitrariamente, seja quase exatamente uniforme. Agora vamos supor que tal vaso seja dividido em duas porções, A e B , por uma divisão na qual há um pequeno orifício, e que um ser, que pode ver as moléculas individuais, abra e feche este orifício, de modo a permitir que apenas as moléculas mais rápidas para passar de uma para B , e apenas as moléculas mais lentas para passar de B para a . Ele irá, assim, sem gasto de trabalho, aumentar a temperatura de B e diminuir a de A , em contradição com a segunda lei da termodinâmica.

Em outras palavras, Maxwell imagina um recipiente dividido em duas partes, A e B . Ambas as peças são preenchidas com o mesmo gás em temperaturas iguais e colocadas lado a lado. Observando as moléculas de ambos os lados, um demônio imaginário guarda um alçapão entre as duas partes. Quando uma molécula mais rápido do que a média de A voa para o alçapão, o demônio abre, e a molécula vai voar a partir de A para B . Do mesmo modo, quando uma molécula mais lenta do que a média de B voa para o alçapão, o demon vai deixar passar a partir de B para A . A velocidade média das moléculas em B terá aumentado, enquanto em A elas terão desacelerado em média. Como a velocidade molecular média corresponde à temperatura, a temperatura diminui em A e aumenta em B , ao contrário da segunda lei da termodinâmica. Uma máquina de calor operando entre os reservatórios térmicos A e B poderia extrair trabalho útil desta diferença de temperatura.

O demônio deve permitir que as moléculas passem em ambas as direções para produzir apenas uma diferença de temperatura; A passagem unilateral apenas de moléculas mais rápidas do que a média de A para B causará o desenvolvimento de temperatura e pressão mais altas no lado B.

Crítica e desenvolvimento

Vários físicos apresentaram cálculos que mostram que a segunda lei da termodinâmica não será realmente violada, se uma análise mais completa for feita de todo o sistema, incluindo o demônio. A essência do argumento físico é mostrar, por cálculo, que qualquer demônio deve "gerar" mais entropia segregando as moléculas do que ele poderia eliminar pelo método descrito. Ou seja, seria necessário mais trabalho termodinâmico para medir a velocidade das moléculas e permitir que passassem seletivamente pela abertura entre A e B do que a quantidade de energia ganha pela diferença de temperatura causada por isso.

Uma das respostas mais famosas a essa pergunta foi sugerida em 1929 por Leó Szilárd e, mais tarde, por Léon Brillouin . Szilárd apontou que um demônio de Maxwell na vida real precisaria ter algum meio de medir a velocidade molecular e que o ato de obter informações exigiria um gasto de energia. Como o demônio e o gás estão interagindo, devemos considerar a entropia total do gás e do demônio combinados. O gasto de energia pelo demônio causará um aumento na entropia do demônio, que será maior do que a redução da entropia do gás.

Em 1960, Rolf Landauer levantou uma exceção a esse argumento. Ele percebeu que alguns processos de medição não precisam aumentar a entropia termodinâmica, desde que sejam termodinamicamente reversíveis . Ele sugeriu que essas medições "reversíveis" poderiam ser usadas para classificar as moléculas, violando a Segunda Lei. No entanto, devido à conexão entre a entropia termodinâmica e a entropia da informação , isso também significa que a medição registrada não deve ser apagada. Em outras palavras, para determinar se deixa uma molécula passar, o demônio deve adquirir informações sobre o estado da molécula e descartá-las ou armazená-las. Descartá-lo leva ao aumento imediato da entropia, mas o demônio não pode armazená-lo indefinidamente. Em 1982, Charles Bennett mostrou que, embora bem preparado, eventualmente o demônio ficará sem espaço de armazenamento de informações e deve começar a apagar as informações que reuniu anteriormente. Apagar informações é um processo termodinamicamente irreversível que aumenta a entropia de um sistema. Embora Bennett tivesse chegado à mesma conclusão do artigo de Szilard de 1929, de que um demônio maxwelliano não poderia violar a segunda lei porque a entropia seria criada, ele a alcançou por diferentes razões. Em relação ao princípio de Landauer , a energia mínima dissipada pela exclusão de informações foi medida experimentalmente por Eric Lutz et al. em 2012. Além disso, Lutz et al. confirmou que, para se aproximar do limite de Landauer, o sistema deve se aproximar assintoticamente da velocidade de processamento zero.

John Earman e John D. Norton argumentaram que as explicações de Szilárd e Landauer sobre o demônio de Maxwell começam assumindo que a segunda lei da termodinâmica não pode ser violada pelo demônio e derivam outras propriedades do demônio a partir dessa suposição, incluindo a necessidade de consumir energia ao apagar informações, etc. Portanto, seria circular invocar essas propriedades derivadas para defender a segunda lei do argumento demoníaco. Bennett mais tarde reconheceu a validade do argumento de Earman e Norton, enquanto sustentava que o princípio de Landauer explica o mecanismo pelo qual os sistemas reais não violam a segunda lei da termodinâmica.

Progresso recente

Embora o argumento de Landauer e Bennett apenas responda à consistência entre a segunda lei da termodinâmica e todo o processo cíclico de todo o sistema de um motor Szilard (um sistema composto do motor e do demônio), uma abordagem recente baseada no não a termodinâmica de equilíbrio para pequenos sistemas flutuantes forneceu uma visão mais profunda de cada processo de informação com cada subsistema. Deste ponto de vista, o processo de medição é considerado como um processo onde a correlação ( informação mútua ) entre o motor e o demônio aumenta, e o processo de feedback é considerado um processo onde a correlação diminui. Se a correlação mudar, as relações termodinâmicas como a segunda lei da termodinâmica e o teorema da flutuação para cada subsistema devem ser modificadas, e para o caso de controle externo uma segunda lei como a desigualdade e um teorema da flutuação generalizada com informação mútua são satisfeitas. Essas relações sugerem que precisamos de custo termodinâmico extra para aumentar a correlação (caso de medição) e, em contraste, podemos aparentemente violar a segunda lei até o consumo de correlação (caso de feedback). Para processos de informação mais gerais, incluindo processamento de informação biológica, tanto a desigualdade quanto a igualdade com informações mútuas mantêm.

Formulários

Versões da vida real de demônios maxwellianos ocorrem, mas todos esses "demônios reais" ou demônios moleculares têm seus efeitos de redução de entropia devidamente equilibrados pelo aumento de entropia em outros lugares. Mecanismos de tamanho molecular não são mais encontrados apenas na biologia; eles também são o assunto do campo emergente da nanotecnologia . Armadilhas de átomo único usadas por físicos de partículas permitem que um experimentador controle o estado de quanta individuais de uma forma semelhante ao demônio de Maxwell.

Se a matéria espelhada hipotética existe, Zurab Silagadze propõe que os demônios podem ser imaginados, "que podem agir como perpetuum mobiles do segundo tipo: extrair energia térmica de apenas um reservatório, usá-la para fazer trabalho e isolar-se do resto do mundo comum. No entanto, a Segunda Lei não é violada porque os demônios pagam seu custo de entropia no setor oculto (espelho) do mundo, emitindo fótons espelho. "

Trabalho experimental

Na edição de fevereiro de 2007 da Nature , David Leigh , professor da Universidade de Edimburgo , anunciou a criação de um nano-dispositivo baseado na catraca browniana popularizada por Richard Feynman . Dispositivo de Leigh é capaz de dirigir um sistema químico fora de equilíbrio , mas deve ser alimentado por uma fonte externa ( luz , neste caso) e, portanto, não violam termodinâmica.

Anteriormente, os investigadores incluindo o vencedor do Prémio Nobel Fraser Stoddart , as moléculas em forma de anel criados chamados Rotaxanos que poderia ser colocado sobre um eixo que liga dois locais, um e B . Partículas de qualquer local colidiam com o anel e o moviam de ponta a ponta. Se uma grande coleção desses dispositivos fosse colocada em um sistema, metade dos dispositivos teria o anel no local A e a outra metade no B , a qualquer momento.

Leigh fez uma pequena alteração no eixo para que, se uma luz acender o dispositivo, o centro do eixo engrosse, restringindo o movimento do anel. Ele só mantém o anel de mover-se, no entanto, se ele está em um . Com o tempo, portanto, os anéis serão empurrados de B para A e ficarão presos ali, criando um desequilíbrio no sistema. Em seus experimentos, Leigh foi capaz de levar um pote de "bilhões desses dispositivos" de um equilíbrio de 50:50 a um desequilíbrio de 70:30 em poucos minutos.

Em 2009, Mark G. Raizen desenvolveu uma técnica de resfriamento atômico a laser que realiza o processo que Maxwell imaginou de classificar átomos individuais em um gás em diferentes recipientes com base em sua energia. O novo conceito é uma parede unilateral para átomos ou moléculas que permite que eles se movam em uma direção, mas não voltam. O funcionamento da parede unilateral depende de um processo atômico e molecular irreversível de absorção de um fóton em um comprimento de onda específico, seguido de emissão espontânea para um estado interno diferente. O processo irreversível é acoplado a uma força conservadora criada por campos magnéticos e / ou luz. Raízen e colaboradores propuseram o uso da parede unilateral para reduzir a entropia de um conjunto de átomos. Paralelamente, Gonzalo Muga e Andreas Ruschhaupt desenvolveram independentemente um conceito semelhante. Seu "diodo de átomo" não foi proposto para resfriamento, mas para regular o fluxo de átomos. O Grupo Raizen demonstrou resfriamento significativo de átomos com a parede unilateral em uma série de experimentos em 2008. Posteriormente, a operação de uma parede unilateral para átomos foi demonstrada por Daniel Steck e colaboradores posteriormente em 2008. Seu experimento foi baseado em o esquema de 2005 para a parede unidirecional e não foi usado para resfriamento. O método de resfriamento realizado pelo Grupo Raízen foi chamado de "resfriamento de fóton único", porque apenas um fóton em média é necessário para trazer um átomo quase ao repouso. Isso contrasta com outras técnicas de resfriamento a laser, que usam o momento do fóton e requerem uma transição de ciclo de dois níveis.

Em 2006, Raizen, Muga e Ruschhaupt mostraram em um artigo teórico que, conforme cada átomo cruza a parede unilateral, ele espalha um fóton, e informações são fornecidas sobre o ponto de inflexão e, portanto, a energia dessa partícula. O aumento da entropia do campo de radiação espalhado de um laser direcional em uma direção aleatória é exatamente equilibrado pela redução da entropia dos átomos conforme eles são aprisionados pela parede unidirecional.

Esta técnica é amplamente descrita como um "demônio de Maxwell" porque realiza o processo de Maxwell de criar uma diferença de temperatura classificando os átomos de alta e baixa energia em diferentes recipientes. No entanto, os cientistas apontaram que não é um verdadeiro demônio de Maxwell no sentido de que não viola a segunda lei da termodinâmica ; não resulta em uma diminuição líquida na entropia e não pode ser usado para produzir energia útil. Isso ocorre porque o processo requer mais energia dos feixes de laser do que poderia ser produzida pela diferença de temperatura gerada. Os átomos absorvem fótons de baixa entropia do feixe de laser e os emitem em uma direção aleatória, aumentando assim a entropia do ambiente.

Em 2014, Pekola et al. demonstrou uma realização experimental de um motor Szilárd. Apenas um ano depois e com base em uma proposta teórica anterior, o mesmo grupo apresentou a primeira realização experimental de um demônio de Maxwell autônomo, que extrai informações microscópicas de um sistema e reduz sua entropia através da aplicação de feedback. O demônio é baseado em dois dispositivos de elétron único acoplados capacitivamente, ambos integrados no mesmo circuito eletrônico. A operação do demônio é observada diretamente como uma queda de temperatura no sistema, com um aumento simultâneo de temperatura no demônio decorrente do custo termodinâmico de geração da informação mútua. Em 2016, Pekola et al. demonstraram uma prova de princípio de um demônio autônomo em circuitos de um elétron acoplado, mostrando uma maneira de resfriar elementos críticos em um circuito com informação como combustível. Pekola et al. também propuseram que um circuito qubit simples, por exemplo, feito de um circuito supercondutor, poderia fornecer uma base para estudar o motor de Szilard quântico.

Como metáfora

Daemons na computação , geralmente processos executados em servidores para responder aos usuários, são nomeados em homenagem ao demônio de Maxwell.

O historiador Henry Brooks Adams em seu manuscrito A Regra da Fase Aplicada à História tentou usar o demônio de Maxwell como uma metáfora histórica , embora ele tenha entendido e aplicado incorretamente o princípio original. Adams interpretou a história como um processo que se move em direção ao "equilíbrio", mas ele viu as nações militaristas (ele sentiu a Alemanha preeminente nessa classe) como tendendo a reverter esse processo, um demônio de Maxwell da história. Adams fez muitas tentativas de responder às críticas de seus colegas científicos a sua formulação, mas o trabalho permaneceu incompleto com a morte de Adams em 1918. Só foi publicado postumamente.

Veja também

Notas

Referências

  • Cater, HD, ed. (1947). Henry Adams e seus amigos . Boston.
  • Daub, EE (1967). "Atomismo e Termodinâmica". Isis . 58 (3): 293–303. doi : 10.1086 / 350264 . S2CID  143459461 .
  • Leff, Harvey S. & Andrew F. Rex, ed. (1990). Demônio de Maxwell: Entropia, Informação, Computação . Bristol: Adam-Hilger. ISBN 978-0-7503-0057-5.
  • Leff, Harvey S. & Andrew F. Rex, ed. (2002). Demônio 2 de Maxwell: Entropia, Informação Clássica e Quântica, Computação . CRC Press . ISBN 978-0-7503-0759-8.
  • Adams, H. (1919). A Degradação do Dogma Democrático . Nova York: Kessinger. ISBN 978-1-4179-1598-9.

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