Этот парадокс давно разгадан. В 1929 году приват-доцент Берлинского университета Лео Сциллард (в будущем один из виднейших участников Манхеттенского проекта) показал, что даже идеально действующий демон увеличивает собственную энтропию всякий раз, как получает информацию о движении молекулы. Энтропия всей системы остается неизменной, ибо демон и газ образуют единое целое. Судьба порой путешествует странными путями. Лео Сцилларду на склоне лет довелось лечиться у американского кардиолога Алвина Рейзена. У того был маленький сын Марк, который, когда вырос, стал физиком, профессором Техасского университета в Остине. В последние годы он и его коллеги разработали новый метод сверхглубокого охлаждения газов, в котором применяется лазерное устройство… аналогичное по своим действиям демону Максвелла.

Метод Рейзена

Уже несколько десятилетий физики доводят газ до температур в микрокельвины с помощью доплеровского поглощения лазерного излучения. Однако профессор Рейзен объяснил «Популярной механике», почему этот метод его не устраивает: «Он хорош, но слишком привередлив. Так можно охладить лишь отдельные вещества, в основном пары щелочных металлов. Наш метод гораздо более универсальный. Он применим для любого газа, атомы или молекулы которого могут находиться в двух долгоживущих метастабильных квантовых состояниях. Существует множество веществ, отвечающих этому требованию».

Классический демон на страже дверцы в перегородке сосуда (слева) и схема трехуровневой системы в эксперименте Рейзена (справа). Атомы в магнитно-гравитационной ловушке с помощью оптической накачки лазером в данном случае это и есть демон) переводятся из состояния B в состояние A через промежуточное состояние).

Метод, разработанный группой Рейзена, заключается в том, что сначала газ охлаждают до нескольких милликельвинов с помощью одного из надежных традиционных способов и запирают в магнитной ловушке, на которую направлены два лазера. Луч одного лазера пересекает полость ловушки в середине, а другой освещает лишь одну половину- допустим, правую.

«Для определенности будем считать, что газ атомарный, — говорит профессор Рейзен. — Назовем одно из возможных состояний его атомов синим, другое — красным. Настроим центральный лазер так, чтобы его излучение отталкивало атомы, пребывающие в красном состоянии. Второй лазер переводит атомы из синего состояния в красное. Будем считать, что сначала все атомы синие. Заполним ими ловушку и включим центральный лазер. Поскольку красных атомов нет, излучение и газ никак не взаимодействуют. Теперь подадим ток в боковой лазер. Каждый атом, который встретится с испущенным им фотоном, перейдет из синего состояния в красное. Если такой «перекрашенный» атом приблизится к центральной плоскости ловушки, его отбросит назад луч первого лазера. В результате в правой зоне будут накапливаться красные атомы, а левая опустеет. Так что наша пара лазеров работает аналогично демону Максвелла. При этом температура газа не меняется, а его давление, естественно, растет».

Атомы обладают собственной частотой колебаний, и если попасть в резонанс, то есть облучить его фотонами соответствующей частоты, атом поглотит его. Если частота фотонов будет чуть ниже, они будут поглощаться только атомами, движущимися навстречу (за счет смещения резонансной частоты благодаря эффекту Доплера). При поглощении фотон будет передавать атому импульс, уменьшая его скорость и тем самым «охлаждая» его (атом излучает фотоны, однако направление излучения спонтанно, так что в целом оно не оказывает влияния на импульс атома). Таким способом можно охладить атомы до температур порядка десятков милликельвин. Дальнейшее усовершенствование этого способа, за разработку которого физикам Стивену Чу, Уильяму Филипс и Клоду Коэн-Таннуджи в 1997 году вручили Нобелевскую премию, предусматривает охлаждение несколькими лазерными пучками в неоднородном магнитном поле, что позволяет достигать температур в сотни микрокельвин. Самая совершенная разновидность этой методики, которая позволяет достичь десятков и даже единиц микрокельвин — т.н. сизифово охлаждение атомов в лазерных пучках, которые за счет поляризации создают серию стоячих волн, проходя через которые, атомы теряют энергию, как бы поднимаясь «в гору» (отсюда и название).

Холодный газ, горячее излучение

Однако где же эффект охлаждения? «Теперь, — продолжает свое объяснение профессор Рейзен, — будем манипулировать центральным лазером таким образом, чтобы газ медленно заполнил всю полость ловушки. При таком расширении газ охлаждается. Вот, собственно, и все — цель достигнута. Эта теория уже проверена на опыте еще три года назад. Тогда мы провели первый эксперимент — охладили пары рубидия в тысячу раз (от милликельвинов до микрокельвинов). Эту технику мы назвали однофотонным охлаждением, поскольку для перехода между состояниями атому требуется рассеять всего один фотон. А вот доплеровский метод охлаждает газ посредством торможения атомов, для чего требуется много фотонов».

А как же энтропия? «С ней все в порядке, — успокоил нас профессор Рейзен. — Когда газ соберется в правой зоне, его энтропия, естественно, снизится. Однако вспомним, что кванты лазерного излучения при встрече с атомами хаотически рассеиваются во все стороны. При этом растет энтропия излучения, причем этот прирост полностью компенсирует снижение энтропии газа. Так что лазерный демон работает в полном соответствии с теорией Сцилларда. Конечно, и сам Максвелл, и еще несколько поколений физиков не верили в реальную осуществимость столь тонкого манипулирования газовыми частицами. Я и сам лет двадцать назад счел бы это чистой фантастикой. Но наука нередко добивается, казалось бы, невозможных целей — и это как раз такой случай. Думаю, Максвеллу бы наша разработка понравилась».

Возможно ли нарушение второго начала термодинамики?

В науке, как и в художественной литературе, встречаются фантастические персонажи. Пожалуй, больше всего их было вымышлено в процессе обсуждения второго начала термодинамики . Самым популярным из них стал демон Максвелла, которого придумал Джеймс Клерк Максвелл, автор знаменитой системы уравнений Максвелла , полностью описывающей электромагнитные поля. Второе начало (или закон) термодинамики имеет множество формулировок, физический смысл которых, однако же, идентичен: изолированная система не может самопроизвольно переходить из менее упорядоченного состояния в более упорядоченное. Так, газ, состоящий из молекул, движущихся с различными скоростями, не может самопроизвольно разделиться на две части, в одной из которых соберутся молекулы, движущиеся, в среднем, быстрее среднестатистической скорости, а в другой — медленнее.

Многие физические процессы относятся к категории обратимых. Воду, например, можно заморозить, а полученный лед снова растопить, и мы получим воду в прежнем объеме и состоянии; железо можно намагнитить, а затем размагнитить и т. п. При этом энтропия (степень упорядоченности) системы в начальной и конечной точке процесса остается неизменной. Есть и необратимые в термодинамическом понимании процессы — горение, химические реакции и т. п. То есть, согласно второму началу термодинамики, любой процесс в итоге приводит либо к сохранению, либо к снижению степени упорядоченности системы. Такая дисгармоничная ситуация сильно озадачила физиков второй половины XIX столетия, и тогда Максвелл предложил парадоксальное решение, позволяющее, казалось бы, обойти второе начало термодинамики и обратить неуклонный рост хаоса в замкнутой системе. Он предложил следующий «мысленный эксперимент»: представим себе герметичный контейнер, разделенный надвое газонепроницаемой перегородкой, в которой имеется единственная дверца размером с атом газа. В начале опыта в верхней части контейнера содержится газ, а в нижней — полный вакуум.

Теперь представим, что к дверце приставлен некий микроскопический вахтер, зорко следящий за молекулами. Быстрым молекулам он дверцу открывает и пропускает их за перегородку, в нижнюю половину контейнера, а медленные оставляет в верхней половине. Понятно, что если такой мини-вахтер будет дежурить у дверцы достаточно долго, газ разделится на две половины: в верхней части останется холодный газ, состоящий из медленных молекул, а в нижней скопится горячий газ из быстрых молекул. Тем самым система упорядочится по сравнению с исходным состоянием, и второе начало термодинамики будет нарушено. Мало того, разницу температур можно будет использовать для получения работы (см. Цикл и теорема Карно). Если такого вахтера оставить на дежурстве навечно (или организовать сменное дежурство), мы получим вечный двигатель .

Этот забавный вахтер, которому остроумные коллеги ученого дали прозвище «демон Максвелла», до сих пор живет в научном фольклоре и волнует умы ученых. Действительно, вечный двигатель человечеству бы не повредил, но вот беда: судя по всему, чтобы демон Максвелла заработал, ему самому потребуется энергопитание в виде притока фотонов, необходимых для освещения приближающихся молекул и их просеивания. Кроме того, просеивая молекулы, демон и дверца не могут не вступать с ними во взаимодействие, в результате чего они сами будут неуклонно получать от них тепловую энергию и наращивать свою энтропию, в результате чего суммарная энтропия системы всё равно уменьшаться не будет. То есть таким объяснением теоретическая угроза второму началу термодинамики была отведена, но не безоговорочно.

Первый по-настоящему убедительный контраргумент был сформулирован вскоре после зарождения квантовой механики . Для сортировки подлетающих молекул демону нужно измерять их скорость, а сделать это с достаточной точностью он не может в силу принципа неопределенности Гейзенберга . Кроме того, в силу этого же принципа он не может точно определить и местонахождение молекулы в пространстве, и часть молекул, перед которыми он распахивает микроскопическую дверцу, с этой дверцей разминутся. Иными словами, демон Максвелла на поверку оказывается макроскопическим слоном в посудной лавке микромира, который живет по собственным законам. Приведите демона в соответствие с законами квантовой механики, и он окажется не в состоянии сортировать молекулы газа и просто перестанет представлять какую-либо угрозу второму началу термодинамики.

Другой веский аргумент против возможности существования демона-вахтера появился уже в компьютерную эру. Предположим, что демон Максвелла — это компьютерная автоматизированная система управления открыванием дверцы. Система производит побитовую обработку входящей информации о скорости и координатах приближающихся молекул. Пропустив или отклонив молекулу, система должна произвести сброс прежней упорядоченной информации — а это равносильно повышению энтропии на величину, равную снижению энтропии в результате упорядочивания газа при пропускании или отклонении молекулы, информация о которой стерта из оперативной памяти компьютерного демона. Сам компьютер, к тому же, также греется, так что и в такой модели в замкнутой системе, состоящей из газовой камеры и автоматизированной пропускной системы, энтропия не убывает, и второй закон термодинамики выполняется.

Жаль демона — симпатичный был персонаж.

Показать комментарии (41)

Свернуть комментарии (41)

Поразительное по беспомощности объяснение невозможности Демона Максвелла!
В качестве аргумента привлекается аргумент о квантовой неопределенности мира! Следовательно, против невозможности существования демона в модельном термодинамическом мире, состоящем только из механических частиц аргументов у автора нет. Ведь если мир состоит из механических частиц, бессмысленно говорить о том, что демон "нагреется", о том, что ему нужно "освещать" частицы, чтобы определить, открывать ли перегородку и т.д.
Простое соображение, что механическому демону нет необходимости освещать или иным образом взаимодействовать с частицами профессору в голову не пришло. Демон может, зная начальные импульсы и координаты всех частиц в сосуде просто вычислять моменты, когда к перегородке подлетает быстрая частица и открывать ее. Более того, при упругих соударениях никакого нагрева не происходит, соответственно, не повышается энтропия демона.
Вообще корень трудностей профессора и всей современной физики - неясные представления об энтропии. Физики настаивают, что это - объективная категория, тогда как в ее определение входит субъективное понятие "беспорядок", "мера беспорядка". Никакой объективной меры беспорядка не существует.

Ответить

• > Поразительное по беспомощности объяснение... привлекается аргумент о квантовой неопределенности мира!

  Может, по-вашему, объяснение и беспомощное, но это не меняет того, что оно правильное. Невозможность демона Максвелла напрямую связана с квантовой неопределенностью.

  > Демон может, зная начальные импульсы и координаты всех частиц в сосуде просто вычислять моменты, когда к перегородке подлетает быстрая частица и открывать ее.

  Демон ничего такого знать не может. И главная причина тут - именно квантовая неопределенность. Но даже без нее в чисто механическом мире точное предсказание траекторий движения молекул оказывается невозможным из-за эффекта экспоненциальной расходимости траекторий, который изучается в теории математических бильярдов. Сколь угодно малая ошибка в знании начальных положений через короткое время превосходит любую заданную величину.

  Есть и еще одна причина. Чтобы демон мог отслеживать все положения молекул, он должен обладать достаточной памятью и уметь изменять ее содержимое по результатам воздействия на молекулы. Память это физическое устройство и обладает энтропией. Расчеты показывают, что энтропия, накапливающаяся этой памяти, как раз компенсирует (или превосходит) ее уменьшение в газе. (Все выкладки приводились в одной из статей журнала "В мире науки" еще в 1980-е годы, но дать ссылку я сейчас не могу.)

  > Вообще корень трудностей профессора и всей современной физики - неясные представления об энтропии.

  Энтропия действительно непростое понятие, но как раз в данном вопросе с ней все понятно.

  > Физики настаивают, что это - объективная категория, тогда как в ее определение входит субъективное понятие "беспорядок", "мера беспорядка".

  Вы ошибаетесь. В _определение_ энтропии понятие "беспорядок" не входит. Оно используется только при популярном, а, значит, образном и неточном объяснении этого понятия. Формальные определения энтропии (их, кстати, существует много) ничего подобного не содержат. Вот, например, два наиболее ходовых определения и физики:

  Энтропия - это величина, пропорциональная логарифму числа микросостояний, реализующих одно макросостяние, в котором находится изучаемая система (S = k*ln(W)).

  Прирост энтропии - это энергия, полученная системой, отнесенная температуре системы (dS = дQ/T).

  Подробнее об этом вы можете почитать, например, вот здесь: http://www.cultinfo.ru/fulltext/1/001/008/126/734.htm. В этой довольно большой энциклопедической статье про "меру неупорядоченности" упомянуто лишь один раз, да тот в качестве пояснения к уравнению S = k*ln(W).

  Ответить

  • >> Невозможность демона Максвелла напрямую связана с квантовой неопределенностью.... Демон ничего такого знать не может. И главная причина тут - именно квантовая неопределенность... Чтобы демон мог отслеживать все положения молекул, он должен обладать достаточной памятью и уметь изменять ее содержимое по результатам воздействия на молекулы. Память это физическое устройство и обладает энтропией.

    ХаХа. ХаХаХА. А еще демону нужны ручки и ножки, чтобы эту дверку открывать и закрывать. И кушать надо... Неужели до сих пор эту загадку решают такими пошлыми отмазками с привлечением умных слов типа энтропия, квантовая неоределенность... память у демона(!!!) Смешно ей богу.
    Нет никакого демона. Представим комнату, заполненную прыгающими мячиками - идеально упругими и не подверженными трению (допустимая механическая аналогия молекул газа). С одной стороны в комнате проем, загороженный барьером некоторой высоты. Мячики, скачущие выше этого барьера со временем из комнаты улетят в соседнюю комнату, а в первой останутся только вяло скачущие мячики. Нужна барьеру память или энергия, фотоны, мюоны, бозоны или синхрофазотороны? Энропию ему какую-нибудь надо вычислять или астральные силы привлекать? Чтобы сразу пресечь поползновения на тему "из соседней комнаты быстрые мячики будут возвращаться назад", сделаем во второй комнате воронку, через которую мячики улетают в третью комнату, и обратно им прилететь сложно.
    В электронике барьерный эффект (электроны, обладающие энергией выше некоторый величины без потерь(!) проходят барьер, не обладающие - не проходят, но энергию тоже не теряют) давно уже известен и вовсю используется. Посмотрите по гуглю - для общего развития.
    "Парадокс" этих мячиков и, соответственно, максвелловских сосудов решается очень просто - сам факт сортировки мячиков не является работой. Работа - это использование (отнятие) энергии быстрых мячиков. А один раз использовав (отняв) энергию у мячика, мы его превращаем в медленный - который через барьер уже не перескочит. Для продолжения цикла нужны свежие мячики извне.
    >>C учетом сказанного я рекомендую при обсуждении научных вопросов... немного меньше доверять своим фантазиям.
    А вам я бы порекомендовал не ссылаться на дурацкие суеверия только потому, что там фигурируют умные и модные словечки...

    Ответить

Вообще-то, полностью замкнутых систем в природе не существует, это абстрак5ция для выведения формул термодинамики. И в рассуждениях мы даже не замечаем, как ненамеренно переходим к открытым системам. А в открытых системах с энтропией нужно обращаться так, как следует из работ Ильи Пригожина. Но дело сейчас не в этом.
Демон Максвелла нарушает замкнутость системы, даже если он сидит внутри сосуда.
Во-первых, ему нужен приток энергии для выполнения своей работы (аккумуляторы надо заряжать), а во-вторых, информация, которая заложена в данного робота (демона), тоже заданна ИЗВНЕ, то есть имеет место обмен энергией и информацией с внешним окружением.
И в этих условиях работа демона вполне может обеспечить решение задачи по Максвеллу: молекулы распределятся по скоростям. НО! Благодаря управляющему воздействию внешнего разумного начала.

Ответить

Можна придумать механического демона максвела, который будет пропускать не молекулы, а более быстрые мелкие частички в броуновском движении. Тогда квантовая механика и термодинамика не работает, только механика, и все зависит от потребления энергии демоном на фиксирование частицы, закрытие дверцы, и скорости самих частиц, которая зависит от темперетуры среды.

Ответить

Закон термодинамики в данном мысленном эксперементе Максвелла действительно нарушается (САМО-ПЕРЕХОД В БОЛЕЕ УПОРЯДОЧЕННОЕ СОСТОЯНИЕ!), но не надо морочить голову из-за расходов на открывание-закрывание и нагрев "клапана" (допустим сия мембрана-диод имеется - это проблема технологии, а не теоретической физики).
Итак, отсортировав молекулы описанным выше способом - получим: температура быстрых молекул больше начальной, НО ТЕМПЕРАТУРА МЕДЛЕННЫХ - ПРОПОРЦИОНАЛЬНО НИЖЕ. Следовательно общая упорядоченность системы здесь пока не измениться (не считая расходы на "сортировщика"). Допустим они пренебрежимо малы.
Далее, использовав энергию быстрых молекул, например на совершение работы, мы тем самым понизим их температуру, и следавательно, общую всей системы. Произведя эти манипуляции с газом некоторое количество раз, в итоге приблизимся к абсолютному нулю и далее процесс извлечения энергии этим способом станет невозможным. (Так что мне непонятно о каком вечном двигателе идёт в статье речь). Значит, мы извлекли энергию, понизили температуру и сл-но повысили упорядоченность? молекул в этой системе. (еще и увеличили объём газа - чё с упорядоченностю?).
Значит замкнутая система может самоохладиться до 0 (в обмен на выделение эквивалентного количества энергии минус КПД "сортировщика"), т.е. перейдя в более упорядоченное? (а объём?) состояние, а САМО-ПЕРЕХОД В БОЛЕЕ УПОРЯДОЧЕННОЕ СОСТОЯНИЕ не допускается 2 законом термодинамики.

Сдаётся мне, что то количестово энергии, которое нужно было на создание начальных условий, равно выделевшийся в результате охлаждения. А вот упорядоченность (по-иностранному- энтропия) не изменилась - она просто как-бы в разных единицах и объёмах.

Ответить

• >>Справедливости ради стоит сказать что сперва надо было потратиться (энергетически) на создание чётко разделённых вакуума и газа, т.е. в системе изначально была потенциальная энергя и упорядоченность: (чёткая область с газом и с вакуумом), а врезультате везде газ но холодный и большего объёма. И как измерять эту упорядоченность?

  Все сильно проще. Где есть газ - там давление выше нуля. Где вакуум - там давление = 0. Разница давлений - это потенциальная энергия. Разница температур - тоже потенциальная энергия. Их мы и извлекаем. А за неупорядоченность не беспокойтесь - мы же какую-то работу совершаем за счет охлажденных молекул - эта работа энтропии наведет достаточно, чтобы успокоить своих фанатов.

  >>Сдаётся мне, что то количестово энергии, которое нужно было на создание начальных условий, равно выделевшийся в результате охлаждения.
  Да, но приятный момент в том, что эту энергию затратили не мы:) Если, скажем, просто брать атмосферный воздух, содержащий массу достаточно энергичных молекул, делить его барьерной мембраной, использовать разницу температур и выпускать холодный воздух обратно - это будет бесплатный (бесплатный не значит "вечный"!) двигатель. А попутно и охлаждение климата - хит для стран Центральной Африки.

  Ответить

Да я и не спорю. Молекулы разделить по какому-либо принципу можно. Но это не значит, что их ансамбль (быстрых или медленных) в условиях равновесия (когда можно говорить о температуре системы) не перераспределит скорости по частицам согласно функции распределения. И опять будут быстрые и будут медленные. Иначе нужно говорить о другой модели состояния вещества.
Воронка - без сомнения интересно. Но речь должна идти, на мой взгляд, о прежде всего энергетической воронке - тепловой. Механическая воронка навряд ли "затянет" частицы, разве что само вещество. Т.е. не нужно забывать, что речь идет о некоторых "представителях" ансамбля, а не о его детерминированном распределении, как, например, на границах раздела сред. Для отдельной частицы иметь скорость - не является характеристикой, т.к. нужно тут же ответить - относительно чего эта скорость измеряется.
Еще раз хочу выразить восторг по поводу красоты задачи. И почему она не решается? Думаю, что мое решение вполне годится, хотя и не обязательно истинно.

Ответить

А вот вопрос несколько по другому сформулированный. "Молекулярный" двигатель питается температурой.
1. Где у молекулы двигатель?
2. Почему должны существовать быстрые и медленные молекулы, если температура одинакова?
Из-за соударений. Удар, - скорость упала. Разогрев - скорость поднялась.
Ну, собрал Демон быстрые молекулы. Так оставшиеся медленные разгонятся до скорости быстрых и градиент исчезнет!
2. Может ли человек сориентировать молекулярные "моторчики" для движения в одном направлении?
Да, ионизировав газ и применив к нему поле.
3. Есть ли другая возможность, кроме электромагнитного поля "ориентировать" молекулярные моторчики?

Вероятно движение молекул при облучении инфракрасным светом вызвано расширением электронных облаков. И молекулы в массе газа начинают "толкаться" электронными облаками. Эти "толчки", наверное, и есть причина движения молекул.
Если молекул мало или молекула вообще одна, то при инфракрасном облучении ее электроные облака начинают отталкиваться от стенок сосуда.
Есть ли другие соображения?

Ответить

В физике существует проблема, которую условно можно назвать проблемой "обратимость-необратимость", и мысленный эксперимент с демоном Максвелла является лишь одной из самых ярких ее иллюстраций. Все физические законы, за единственным исключением, обратимы во времени, и возможность реализации демона Максвелла им не противоречит! Исключением является второе начало термодинамики, которое имеет много разных формулировок. Простейшая из них - теплота не может самопроизвольно переходить от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой. Возможность существования демона Максвелла противоречит исключительно этому закону. Таким образом, любые попытки доказать невозможность демона Максвелла, в которых явно или неявно не используется второе начало, обречены на неудачу. Нужно отметить, что все физические законы, в том числе и второе начало, являются обобщением опытных данных.
Всерьез обсуждать все эти проблемы можно, лишь профессионально разбираясь в термодинамике, статистической физике, квантовой статистике, физической кинетике; будущие физики-теоретики изучают это в основном на старших курсах в течение примерно шести семестров. Непрофессионалам браться за решение этой проблемы не стоит - никто же не пытаетесь самостоятельно вычислять орбиты астероидов или рассчитывать электронную структуру полупроводников, а это гораздо проще.
Кое-какие замечания для профессионалов. 1) Непротиворечивым образом энтропия может быть введена только для равновесной системы, второе же начало принципиально говорит о неравновесных процессах. 2) Статистическое (через статистический вес) и термодинамическое (через теплоту и температуру) определения энтропии на всегда совпадают. 3)Из квантовомеханического (через матрицу плотности) определения энтропии строго следует, что энтропия замкнутой системы остается неизменной. В общем, вопросов здесь много.

Ответить

• Автор неправ. История подсказывает, что по-настоящему стоящие открытия и изобретения сделаны именно "непрофессионалами". Ваши так называемые профессионалы это сборище болванов и лизоблюдов. Демон -Максвелла уже давно существует. Это устройство изобретенное в 1931 г. называется трубкой Ранке-Хильша. Она позволяет разделить газ или жидкость на горячий и холодный потоки при помощи вихря. Причем тепла получается гораздо больше чем затрачено энергии для создания вихря.

  Ответить

  >>теплота не может самопроизвольно переходить от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой. Возможность существования демона Максвелла противоречит исключительно этому закону....Непрофессионалам браться за решение этой проблемы не стоит - никто же не пытаетесь самостоятельно вычислять орбиты астероидов или рассчитывать электронную структуру полупроводников, а это гораздо проще.

  Непрофессионалам вообще ни за что браться не стоит - если это что-то требует профессионального решения, оплачивается и на что-то влияет. Но что плохого в том, чтобы _просто поболтать на бесплатном форуме_ о чем-то, не связанном с твоей профессиональной компетенцией? Врядли кто-то здесь всерьез думает, что он что-то "решает" (кроме, может быть, автора статьи;-) А орбиты астероидов, я думаю, тоже кто-то просчитывает - только в другой ветке:)))
  По поводу второго закона - такой момент: насколько вообще корректно отождествлять "переход теплоты от одного тела к другому" с "разделением одного тела на компоненты (ну или двух тел)"?

  Ответить

  • Совершенно с вами согласен. Кстати, правильно будет - теплота не может самопроизвольно переходить от тела с низкой температурой к телу с более высокой температурой. Точная формулировка второго закона принадлежит В. Томсону и М. Планку: «В природе невозможен процесс, полный эффект которого состоял бы только в охлаждении теплового резервуара и в эквивалентном подъеме груза». Но: в природе демон Максвелла существует, если существует возможность создания диода молекулярных размеров, молекулярного диода. Такой диод способен преобразовать тепловое движение электронов в упорядоченное, то есть в электрический ток. Есть патент и на градиентный туннельный диод с рабочими частотами до ультрафиолетового диапазона, способный, по утверждению авторов, преобразовывать в электрический ток даже тепловые флуктуации электронов. Вот это и есть наш демон.
    Поставим мысленный эксперимент (как и дедушка Максвелл). Одно тело на компоненты разделять не будем, а возьмем изолированную емкость, разделенную непроницаемой перегородкой на два резервуара. В более холодный резервуар помещаем решетку наноректенн (ректенна - это антенна с выпрямителем), настроенных на резонанс с излучением быстрых, горячих молекул этого резервуара, соединяем решетку с мостовой схемой из демонов и - вперед! Полученный постоянный электроток накапливаем и отправляем в нагрузку (сопротивление) в более горячий резервуар и топим его до победного (или поднимаем какой ни то груз). Второй закон отдыхает. Вечный двигатель второго рода таким образом, конечно, не сделаешь, поскольку охлаждать первый резервуар до бесконечности невозможно, но и явное нарушение второго закона проглядывается, не так ли?

    Ответить

    • Не совсем это конечно демон Максвелла, хотя принцип "забери у бедных и отдай богатым" (назовем это "инверсным принципом Робина Гуда") - нашему демону идеологически близок:)
      И тут я что-то не совсем понял: эти "наноректенны" - они таки пропускают молекулы или электроны? Если молекулы - то о каком эл.токе речь? А если электроны (ну или ионы вообще) - то какой смысл фильтровать их по скорости? медленный электрон - тоже электрон и эл.тока даст столько же, сколько и быстрый. Правда, это уже получается что-то вроде обычного электролитного аккумулятора, только вместо электролита - газ (зачем?). Смысл второго (горячего) резервуара мне вообще не ясен.

      Далее (исходим из того, что фильтруем все-таки молекулы и пытаемся переносить теплоту а не эл.заряд). "соединяем решетку [наноректен] с мостовой схемой из демонов" - так кто здесь выпрямляет? ректенны или демоны? если ректенны - то зачем нужны демоны - и наоборот. Если выпрямляют ректенны - значит демон должен сидеть В КАЖДОЙ из них, и никаких дополнительных мостов, выпрямляющих поток со всей решетки уже не нужно, соответственно не нужна и консолидация потоков с отдельных ректенн - то есть возвращаемся к мембране (в которой просто "барьер" и "воронка" объединены словом "ректенна"). Если ректенны только фильтруют молекулы по скорости (в оба направления) - то это уже не "рект"енны, а просто барьеры, а все самое сложное ("воронка") делается централизованно. То есть это просто конструктивное отличие, а не принципиальное.

      Фильтрация молекул по скорости - не сильно сложная задача. Например, берем ионизированный(скажем+) газ и мономолекулярную одноименно заряженную мембрану (для конструктивной жесткости ее можно нацепить на легко проницаемый нейтральный каркас). Проскочить через эту мембрану смогут только те молекулы газа, чья кинетическая энергия будет достаточна для преодоления кулоновского противодействия. Важно - проскок (или отскок) молекулы будет абсолютно упругим - насколько молекула замедлится на подходе к мембране - настолько же она ускорится при отскоке (с той же или с другой стороны). Порог необходимой кин.энергии можно регулировать подбором размера ячейки мембраны и заряда на ней.
      Самое сложное, что может требоваться от демона - это пускать молекулы только в одну сторону. Как демона этому научить - я не знаю, но можно сделать ход конем и избавить его от этой работы. В принципе достаточно уже того, что мы имеем с одной стороны мембраны гарантированно только быстрые молекулы из исходного тела. Часть из них улетит обратно, но часть останется. Уже хорошо. Как этим пользоваться?

Физики из Финляндии, России и США впервые автономного электронного демона Максвелла. Результаты своих исследований авторы опубликовали в журнале Physical Review Letters. Что такое демоны Максвелла и как они могут помешать работе компьютеров, рассказывает «Лента.ру».

Интрига вокруг демонов Максвелла сохраняется в науке вот уже 150 лет. Концепцию сверхъестественного существа предложил в 1867 году британский физик Джеймс Клерк Максвелл . Речь идет о некоем устройстве, функционирующем так, что это приводит к нарушению (кажущемуся) второго начала термодинамики - одного из самых фундаментальных законов природы.

В своем мысленном эксперименте Максвелл взял закрытый баллон с газом и разделил его на две части внутренней стенкой с небольшим люком. Открывая и закрывая люк, демон Максвелла разделяет быстрые (горячие) и медленные (холодные) частицы. В результате в баллоне возникает разность температур, а тепло передается от более холодного газа к более горячему, что казалось бы противоречит второму закону термодинамики.

Второй закон термодинамики определяет направление физических процессов. В частности, как показал немецкий физик Рудольф Клаузиус , он делает невозможной самопроизвольную передачу (то есть без совершения работы) тепла от более холодного тела более горячему или, что то же самое, уменьшение энтропии (меры беспорядка) изолированной системы. В формулировке француза Сади Карно этот закон звучит так: тепловая машина с коэффициентом полезного действия в сто процентов невозможна.

Второе начало термодинамики было окончательно сформулировано в XIX веке. Тогда это был закон для ряда частных случаев (его фундаментальный характер прояснился позднее). Физики искали в нем противоречия, и одно из них (наряду с тепловой смертью Вселенной) и представил Максвелл в письме к своему коллеге Питеру Тейту.

Парадокс сразу привлек к себе внимание ученых и любителей науки. В XX веке славу демона Максвелла затмил кот (или кошка) Шредингера . Между тем, подобно домашнему питомцу из квантовой механики, бес британского физика послужил источником многих важных открытий. В частности, благодаря ему возникла термодинамическая теория информации и связанное с ней представление об информационной энтропии.

В 1960-х годах исследователь из американской компании IBM (International Business Machines) Рольф Ландауэр сформулировал принцип, которому присвоили его имя. Он связал потерю бита информации в любой физической системе с выделением соответствующего количества тепла (или, что то же самое, повышением термодинамической энтропии). Работа Ландауэра имела фундаментальное значение для вычислительной техники, сохраняющееся до сих пор. Выражение, названное в честь Ландауэра, а также американцев Клода Шеннона и Джона фон Неймана , позволяет определить предельные физические характеристики устройства (прежде всего, его мощность и размеры), при которых уничтожается информация. Созданные человеком процессоры прошли путь от рассеивания тепла, в миллиарды раз большего предсказываемого принципом Ландауэра, до современных значений, всего в тысячи раз превышающих его.

Пусть имеется ячейка памяти, содержащая закодированную в битах информацию (со значениями ноль и единица). Если уничтожить ее (то есть перевести в состояние, содержащее только нули или единицы), выделится тепло. На языке термодинамики это означает обращение энтропии системы в нуль, поскольку достигнуто максимально упорядоченное состояние (описываемое только нулями или единицами). Ландаэуэр любил повторять, что «информация - это физическая величина», это было его девизом.

Впервые измерили тепло, выделяющееся при уничтожении бита информации, ученые из Франции и Германии. Ячейкой памяти послужила кварцевая бусина диаметром два микрометра, помещенная в воду. Посредством оптического пинцета физики создали пару потенциальных ям, в которых могла оказаться бусина. Эти состояния системы соответствовали логическим значениям нуль и единица. При переводе системы в одно состояние информация стиралась. Машина учитывала множество нюансов, в частности, флуктуации, чья роль росла вместе с уменьшением глубины ям. При помощи рапида физики наблюдали переход системы из одного состояния в другое. Процесс сопровождался тепловыделением, температура воды повышалась, и это фиксировалось. Полученные данные оказались близки к предсказываемым принципом Ландауэра.

Но при чем тут демон Максвелла? Дело в том, что при сортировке горячих и холодных молекул в мысленном эксперименте Максвелла демон накапливает информацию о скоростях частиц. В какой-то момент память переполняется, и демону для продолжения работы необходимо ее стереть. Для этого требуется совершить работу, в точности равную работе, которую теоретически можно было бы извлечь из системы горячих и холодных частиц. То есть второй закон термодинамики не нарушается. Однако возникает метафизический вопрос о сущности, стирающей демону память. Не будет ли ею некий супердемон, влияющий на младшего демона? Ответ на этот вопрос впервые предложил в 1929 году один из участников Манхэттенского проекта американский физик Лео Силард . Устройство, названное его именем, обеспечивает демону Максвелла автономную работу.

Впервые его реализовать удалось японским ученым в 2010 году. Их электромеханическая модель представляет собой полистироловую бусину диаметром около 300 нанометров, помещенную в электролит. Электромагнитное поле не давало бусине перемещаться вниз, в результате чего она набрала механическую (потенциальную) энергию, пропорциональную работе поля. Демоном Максвелла в такой системе выступал наблюдатель и его научные инструменты, для функционирования которых необходима энергия. Последнее обстоятельство снова не позволяет нарушить второе начало термодинамики. В отличие от японских ученых, их коллеги из Финляндии, России (Иван Хаймович из Института физики микроструктур Российской академии наук) и США впервые создали не электромеханическую, а полностью электронную машину Силарда (автономного демона Максвелла).

Система основана на одноэлектронном транзисторе, который образует небольшой медный остров, подключенный к двум сверхпроводящим алюминиевым выводам. Демон Максвелла контролирует движение электронов разных энергий в транзисторе. Когда частица находится на острове, демон притягивает ее положительным зарядом. Если электрон покидает остров, демон отталкивает его при помощи отрицательного заряда, что приводит к понижению температуры транзистора и ее повышению у демона.

Все манипуляции демон выполняет в автономном режиме (его поведение определяется транзистором), а изменения температуры указывают на корреляцию между ним и системой, так что все выглядит так, как будто демон Максвелла знает о состоянии системы и способен ею управлять. Электронный демон позволяет проводить большое количество измерений за небольшой промежуток времени, а низкие температуры в системе дают возможность регистрировать чрезвычайно малые ее изменения. Эта система также не нарушает второе начало термодинамики и согласуется с интуитивно понятным представлением о том, что информацию можно использовать для совершения работы.

Зачем ученым нужны такие исследования? С одной стороны, они представляют явный академический интерес, поскольку позволяют изучать микроскопические явления в термодинамике. С другой стороны, показывают, насколько важно производство энтропии из информации, получаемой демоном. Именно это может быть, как полагают авторы исследования, полезным для проектирования кубитов (квантовых аналогов классических битов) квантовых компьютеров, даже несмотря на намечающийся прогресс в обратимых вычислениях , рассказ о чем выходит за рамки данной статьи.

Отвечает ведущий научный сотрудник лаборатории квантовой теории информации МФТИ и Института теоретической физики имени Л.Д. Ландау РАН Гордей Лесовик:

— Согласно одной из формулировок второго закона термодинамики тепло переходит от горячего тела к холодному. Это обычное и всем понятное явление. Но если запустить в замкнутую систему Демона Максвелла (считается, что он повышает степень упорядоченности в системе), то он способен нарушить естественный порядок вещей, и устранить беспорядок, если хотите. Он будет отражать высокоэнергичные атомы или молекулы, менять потоки и тем самым запускать совсем иные процессы внутри системы. Аналогичный процесс можно осуществить с помощью нашего квантового устройства.

Схематическое изображение демона Максвелла. Фото: Commons.wikimedia.org

Мы показали, что хотя квантовая механика в общем-то как раз и обеспечивает этот самый классический закон термодинамики и обеспечивает естественный порядок вещей, но искусственно можно создать такие условия, при которых этот процесс может быть нарушен. То есть теперь квантовый Демон Максвелла, — проще говоря, искусственный атом (его принято называть кубит, т.е. квантовый бит) способен сделать так, чтобы тепло от холодного передавалось к горячему объекту, а не наоборот. Это и есть основная новость в нашей работе.

В ближайшее время мы планируем создавать квантовый холодильник, в котором экспериментальным путем будем запускать естественные потоки тепла вспять. При этом наш суперхолодильник будет способен не сам затрачивать энергию на преобразования, а (в некотором смысле) извлекать её из источника, который может быть расположен в нескольких метрах от него. С этой точки зрения наш квантовый холодильник будет (локально) абсолютно энергоэффективным. Во избежание недоразумений важно подчеркнуть, что при учете удаленного источника энергии справедливость второго закона термодинамики восстанавливается, и миропорядок в целом нарушен не будет.

Что касается области применения квантового Демона Максвелла, т.е. нашего устройства, то прежде всего это, конечно же, область квантовой механики. Ну, например, обычный компьютер при работе часто нагревается, то же самое происходит и с квантовыми устройствами, только там эти процессы еще критичнее для нормальной работы. Мы сможем охлаждать их или какие-то отдельные микрочипы. Сейчас мы учимся делать это с близкой к 100% эффективностью.

Ну и, конечно, такие эксперименты позволят в будущем говорить о создании вечного двигателя второго типа . Никаких батареек не потребуется, двигатель сможет извлекать энергию из ближайшего теплового резервуара и с помощью него перемещать какие-то наноустройства.

Вечный двигатель второго рода — машина, которая, будучи пущена в ход, превращала бы в работу всё тепло, извлекаемое из окружающих тел. По законам термодинамики до сих пор считается неосуществимой идеей.