Как крошечный демон на 100 лет поставил в тупик лучших физиков планеты

На 3 курсе университета во время экзамена по статистической физике строгий преподаватель решил устроить мне внезапную проверку на прочность. Он постучал ручкой по столу и спросил: что мешает микроскопическому существу сидеть у крошечной заслонки между 2 комнатами, впуская в одну только горячие молекулы воздуха, а в другую выгоняя холодные? Законы Ньютона соблюдены, энергия сохраняется, а одна комната греется совершенно бесплатно. Я тогда завис на несколько минут, потому что над этой задачей мировая наука ломала голову добрый век.

В 1867 году шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл придумал мысленный эксперимент, пошатнувший основы термодинамики. Второй закон утверждает: энтропия замкнутой системы неизменно растет. Тепло самопроизвольно переходит от горячего тела к холодному, а обратный процесс требует обязательных затрат энергии. Чашка кофе остывает, кубик льда тает в стакане, а размешанное в молоке варенье никогда самовольно не соберется обратно в ложку.

Максвелл предложил мысленный сосуд с газом, разделенный перегородкой с крошечной дверцей без трения. У дверцы сидит сообразительное существо - демон Максвелла. Он внимательно следит за траекториями молекул. Подлетает быстрая молекула слева - дверца распахивается, и частица летит в правый отсек. Подлетает медленная справа - заслонка пропускает ее влево.

Через некоторое время в правом отсеке собираются горячие молекулы, а в левом остаются холодные. Возникает разница температур из абсолютного теплового хаоса без совершения механической работы. Справа закипает вода, слева намерзает лед. Энтропия системы падает, открывая путь к созданию вечного двигателя второго рода.

Этот парадокс лишал покоя ученых вплоть до середины 20 века. Разобраться с демоном удалось только тогда, когда физики осознали глубинную связь между физикой и теорией информации.

В 1961 году физик Рольф Ландауэр из исследовательской лаборатории IBM доказал важнейший принцип. Демон способен наблюдать за молекулами и открывать дверцу почти даром, пока его память пуста. Но чтобы принять решение о следующей частице, демону необходимо зафиксировать информацию в ячейках памяти, а затем стереть ее для нового замера.

Любое стирание 1 бита информации в физической системе неизбежно рассеивает тепло в окружающую среду. Минимальная порция тепла строго равна произведению постоянной Больцмана, абсолютной температуры и натурального логарифма 2.

Стирание данных в памяти демона производит ровно столько энтропии, сколько он сэкономил при сортировке частиц. Второй закон термодинамики устоял, а физика сделала колоссальный шаг вперед: информация оказалась материальной величиной, жестко привязанной к термодинамике.

Помните, как в посте про эффект Казимира мы обсуждали физическую силу квантового вакуума? Здесь разворачивается похожая картина: абстрактные компьютерные биты подчиняются суровым тепловым законам Вселенной.

Каждый раз, когда современный процессор очищает регистры памяти при переключении задач, он вынужден сбрасывать крошечные доли джоуля тепла в медный радиатор. Демон Максвелла исправно берет свою плату за каждый стертый бит.. Закон термодинамики никому еще не удавалось обхитрить)

Телеграм: t.me/ainewsline

Источник: vk.com

Комментарии: