El demonio de Maxwell es un experimento mental que parece refutar la segunda ley de la termodinámica . Fue propuesto por el físico James Clerk Maxwell en 1867. [1] En su primera carta, Maxwell se refirió a la entidad como un "ser finito" o un "ser que puede jugar un juego de habilidad con las moléculas". Lord Kelvin lo llamaría más tarde " demonio ". [2]
En el experimento mental, un demonio controla una puerta entre dos cámaras que contienen gas. A medida que las moléculas de gas (o átomos) individuales se acercan a la puerta, el demonio rápidamente abre y cierra la puerta para permitir que solo las moléculas que se mueven rápidamente pasen en una dirección, y solo las moléculas que se mueven lentamente en la otra. Debido a que la temperatura cinética de un gas depende de las velocidades de sus moléculas constituyentes, las acciones del demonio hacen que una cámara se caliente y la otra se enfríe. Esto disminuiría la entropía total del sistema , aparentemente sin aplicar ningún trabajo , violando así la segunda ley de la termodinámica.
El concepto de demonio de Maxwell ha provocado un debate sustancial en la filosofía de la ciencia y la física teórica , que continúa hasta nuestros días. Estimuló el trabajo sobre la relación entre la termodinámica y la teoría de la información . La mayoría de los científicos sostienen que, desde el punto de vista teórico, ningún dispositivo práctico puede violar la segunda ley de esta manera. Otros investigadores han implementado formas del demonio de Maxwell en experimentos, aunque todos difieren del experimento mental hasta cierto punto y no se ha demostrado que ninguno viole la segunda ley.
El experimento mental apareció por primera vez en una carta que Maxwell escribió a Peter Guthrie Tait el 11 de diciembre de 1867. Apareció nuevamente en una carta a John William Strutt en 1871, antes de ser presentado al público en el libro de Maxwell sobre termodinámica de 1872 titulado Teoría del calor . [3]
En sus cartas y libros, Maxwell describió al agente que abrió la puerta entre las cámaras como un "ser finito". Siendo un hombre profundamente religioso, nunca usó la palabra "demonio". En cambio, William Thomson (Lord Kelvin) fue el primero en utilizarlo para el concepto de Maxwell, en la revista Nature en 1874, e implicó que pretendía la interpretación de la mitología griega de un demonio , un ser sobrenatural que trabaja en segundo plano, en lugar de un malévolo. ser. [2] [4] [5]
La segunda ley de la termodinámica asegura (a través de la probabilidad estadística) que dos cuerpos de diferente temperatura , cuando se ponen en contacto entre sí y se aíslan del resto del Universo, evolucionarán hacia un equilibrio termodinámico en el que ambos cuerpos tienen aproximadamente la misma temperatura. [6] La segunda ley también se expresa como la afirmación de que en un sistema aislado , la entropía nunca disminuye. [6]
Maxwell concibió un experimento mental como una forma de avanzar en la comprensión de la segunda ley. Su descripción del experimento es la siguiente: [6] [7]
... si concebimos un ser cuyas facultades estén tan agudizadas que pueda seguir cada molécula en su curso, tal ser, cuyos atributos son esencialmente finitos como los nuestros, sería capaz de hacer lo que nos es imposible. Porque hemos visto que las moléculas en un recipiente lleno de aire a temperatura uniforme se mueven con velocidades que no son en modo alguno uniformes, aunque la velocidad media de un gran número de ellas, seleccionadas arbitrariamente, es casi exactamente uniforme. Supongamos ahora que un recipiente de este tipo está dividido en dos porciones, A y B , mediante una división en la que hay un pequeño agujero, y que un ser que puede ver las moléculas individuales abre y cierra este agujero para poder ver las moléculas individuales. permitir que sólo las moléculas más rápidas pasen de A a B , y sólo las moléculas más lentas pasen de B a A. De este modo, sin gastar trabajo, aumentará la temperatura de B y disminuirá la de A , en contradicción con la segunda ley de la termodinámica.
En otras palabras, Maxwell imagina un contenedor dividido en dos partes , A y B. [6] [8] Ambas partes se llenan con el mismo gas a temperaturas iguales y se colocan una al lado de la otra. Al observar las moléculas a ambos lados, un demonio imaginario guarda una trampilla entre las dos partes. Cuando una molécula de A , más rápida que el promedio, vuela hacia la trampilla, el demonio la abre y la molécula volará de A a B. Del mismo modo, cuando una molécula de B más lenta que la media vuela hacia la trampilla, el demonio la dejará pasar de B a A. La velocidad media de las moléculas en B habrá aumentado mientras que en A habrán disminuido de media. Dado que la velocidad molecular promedio corresponde a la temperatura, la temperatura disminuye en A y aumenta en B , contrariamente a la segunda ley de la termodinámica. Una máquina térmica que funcione entre los depósitos térmicos A y B podría extraer trabajo útil de esta diferencia de temperatura.
El demonio debe permitir que las moléculas pasen en ambas direcciones para producir sólo una diferencia de temperatura; El paso en un solo sentido de moléculas más rápidas que el promedio de A a B provocará que se desarrollen temperaturas y presiones más altas en el lado B.
Varios físicos han presentado cálculos que muestran que la segunda ley de la termodinámica en realidad no será violada si se hace un análisis más completo de todo el sistema, incluido el demonio. [6] [8] [9] La esencia del argumento físico es mostrar, mediante cálculos, que cualquier demonio debe "generar" más entropía segregando las moléculas de la que jamás podría eliminar mediante el método descrito. Es decir, se necesitaría más trabajo termodinámico para medir la velocidad de las moléculas y permitirles pasar selectivamente a través de la abertura entre A y B que la cantidad de energía ganada por la diferencia de temperatura causada al hacerlo.
Una de las respuestas más famosas a esta pregunta fue sugerida en 1929 por Leó Szilárd , [10] y posteriormente por Léon Brillouin . [6] [8] Szilárd señaló que un demonio de Maxwell en la vida real necesitaría tener algún medio para medir la velocidad molecular, y que el acto de adquirir información requeriría un gasto de energía. Dado que el demonio y el gas interactúan, debemos considerar la entropía total del gas y el demonio combinados. El gasto de energía por parte del demonio provocará un aumento de la entropía del demonio, que será mayor que la disminución de la entropía del gas.
En 1960, Rolf Landauer planteó una excepción a este argumento. [6] [8] [11] Se dio cuenta de que algunos procesos de medición no necesitaban aumentar la entropía termodinámica siempre que fueran termodinámicamente reversibles . Sugirió que estas mediciones "reversibles" podrían usarse para clasificar las moléculas, violando la Segunda Ley. Sin embargo, debido a la conexión entre la entropía en termodinámica y la teoría de la información , esto también significaba que la medición registrada no debía borrarse. En otras palabras, para determinar si deja pasar una molécula, el demonio debe adquirir información sobre el estado de la molécula y descartarla o almacenarla. Descartarlo conduce a un aumento inmediato de la entropía, pero el demonio no puede almacenarlo indefinidamente. En 1982, Charles Bennett demostró que, por muy bien preparado que esté, eventualmente el demonio se quedará sin espacio de almacenamiento de información y deberá comenzar a borrar la información que ha recopilado previamente. [8] [12] Borrar información es un proceso termodinámicamente irreversible que aumenta la entropía de un sistema. Aunque Bennett había llegado a la misma conclusión que el artículo de Szilard de 1929, de que un demonio maxwelliano no podía violar la segunda ley porque se crearía entropía, había llegado a ella por diferentes razones. Con respecto al principio de Landauer , Eric Lutz et al. midieron experimentalmente la energía mínima disipada al eliminar información . en 2012. Además, Lutz et al. Confirmó que para acercarse al límite de Landauer, el sistema debe acercarse asintóticamente a la velocidad de procesamiento cero. [13] Recientemente, el principio de Landauer también ha sido invocado para resolver una paradoja aparentemente no relacionada de la física estadística, la paradoja de Loschmidt . [14]
John Earman y John D. Norton han argumentado que las explicaciones de Szilárd y Landauer sobre el demonio de Maxwell comienzan asumiendo que el demonio no puede violar la segunda ley de la termodinámica , y derivan otras propiedades del demonio a partir de esta suposición, incluida la necesidad de consumir energía. al borrar información, etc. [15] [16] Por lo tanto, sería circular invocar estas propiedades derivadas para defender la segunda ley del argumento demoníaco. Bennett reconoció más tarde la validez del argumento de Earman y Norton, aunque sostuvo que el principio de Landauer explica el mecanismo por el cual los sistemas reales no violan la segunda ley de la termodinámica. [17]
Aunque el argumento de Landauer y Bennett sólo responde a la coherencia entre la segunda ley de la termodinámica y todo el proceso cíclico de todo el sistema de un motor Szilard (un sistema compuesto del motor y el demonio), un enfoque reciente basado en la no- La termodinámica de equilibrio para pequeños sistemas fluctuantes ha proporcionado una visión más profunda de cada proceso de información con cada subsistema. Desde este punto de vista, el proceso de medición se considera un proceso donde la correlación ( información mutua ) entre el motor y el demonio aumenta, disminuyendo la entropía del sistema en una cantidad dada por la información mutua. [18] Si la correlación cambia, se deben modificar relaciones termodinámicas como la segunda ley de la termodinámica y el teorema de fluctuación para cada subsistema, y para el caso de control externo una segunda ley como la desigualdad [18] [19] [20] y un teorema de fluctuación generalizado [21] con información mutua se satisfacen. Para procesos de información más generales, incluido el procesamiento de información biológica, se mantienen tanto la desigualdad [22] como la igualdad [23] con información mutua. Cuando se realizan mediciones repetidas, la reducción de entropía del sistema viene dada por la entropía de la secuencia de mediciones, [18] [24] [25] que tiene en cuenta la reducción de información debido a la correlación entre las mediciones.
Existen versiones de los demonios maxwellianos en la vida real, pero todos esos "demonios reales" o demonios moleculares tienen sus efectos reductores de entropía debidamente equilibrados por el aumento de entropía en otros lugares. [26] Los mecanismos de tamaño molecular ya no se encuentran sólo en biología; también son objeto del campo emergente de la nanotecnología . Las trampas de un solo átomo utilizadas por los físicos de partículas permiten al experimentador controlar el estado de los cuantos individuales de una manera similar al demonio de Maxwell.
Si existe una hipotética materia espejo , Zurab Silagadze propone que se pueden imaginar demonios, "que pueden actuar como móviles perpetuum del segundo tipo: extraer energía térmica de un solo depósito, utilizarla para realizar trabajo y aislarse del resto del mundo ordinario. Sin embargo, la Segunda Ley no se viola porque los demonios pagan su costo de entropía en el sector oculto (espejo) del mundo emitiendo fotones espejo." [27]
En 2007, David Leigh anunció la creación de un nanodispositivo basado en el trinquete browniano popularizado por Richard Feynman . El dispositivo de Leigh es capaz de sacar del equilibrio un sistema químico , pero debe ser alimentado por una fuente externa ( luz en este caso) y, por lo tanto, no viola la termodinámica. [28]
Anteriormente, investigadores como el premio Nobel Fraser Stoddart habían creado moléculas en forma de anillo llamadas rotaxanos que podían colocarse en un eje que conectaba dos sitios , A y B. Las partículas de cualquier sitio chocarían contra el anillo y lo moverían de un extremo a otro. Si se colocaba una gran colección de estos dispositivos en un sistema, la mitad de los dispositivos tenían el anillo en el sitio A y la otra mitad en B , en un momento dado. [29]
Leigh hizo un cambio menor en el eje de modo que si se ilumina el dispositivo, el centro del eje se engrosará, restringiendo el movimiento del anillo. Sin embargo, evita que el anillo se mueva sólo si está en A. Por lo tanto, con el tiempo, los anillos serán empujados de B a A y quedarán atascados allí, creando un desequilibrio en el sistema. En sus experimentos, Leigh pudo llevar un conjunto de "miles de millones de estos dispositivos" desde un equilibrio 50:50 a un desequilibrio 70:30 en unos pocos minutos. [30]
En 2009, Mark G. Raizen desarrolló una técnica de enfriamiento atómico con láser que realiza el proceso que Maxwell imaginó de clasificar átomos individuales en un gas en diferentes contenedores en función de su energía. [6] [31] [32] El nuevo concepto es un muro unidireccional para átomos o moléculas que les permite moverse en una dirección, pero no retroceder. El funcionamiento de la pared unidireccional se basa en un proceso atómico y molecular irreversible de absorción de un fotón en una longitud de onda específica, seguido de una emisión espontánea a un estado interno diferente. El proceso irreversible está acoplado a una fuerza conservativa creada por campos magnéticos y/o luz. Raizen y sus colaboradores propusieron utilizar la pared unidireccional para reducir la entropía de un conjunto de átomos. Paralelamente, Gonzalo Muga y Andreas Ruschhaupt desarrollaron de forma independiente un concepto similar. Su "diodo atómico" no fue propuesto para enfriar, sino para regular el flujo de átomos. El Grupo Raizen demostró un enfriamiento significativo de los átomos con la pared unidireccional en una serie de experimentos en 2008. Posteriormente, Daniel Steck y sus colaboradores demostraron el funcionamiento de una pared unidireccional para átomos más tarde en 2008. Su experimento se basó en el esquema de 2005 para la pared unidireccional y no se usó para refrigeración. El método de enfriamiento desarrollado por el Grupo Raizen se llamó "enfriamiento de fotón único", porque en promedio sólo se necesita un fotón para llevar un átomo casi al reposo. Esto contrasta con otras técnicas de enfriamiento por láser que utilizan el impulso del fotón y requieren una transición cíclica de dos niveles.
En 2006, Raizen, Muga y Ruschhaupt demostraron en un artículo teórico que cuando cada átomo cruza la pared unidireccional, dispersa un fotón y se proporciona información sobre el punto de inflexión y, por tanto, sobre la energía de esa partícula. El aumento de entropía del campo de radiación dispersado por un láser direccional en una dirección aleatoria se equilibra exactamente con la reducción de entropía de los átomos que quedan atrapados por la pared unidireccional.
Esta técnica se describe ampliamente como un "demonio de Maxwell" porque realiza el proceso de Maxwell de crear una diferencia de temperatura clasificando átomos de alta y baja energía en diferentes contenedores. Sin embargo, los científicos han señalado que no viola la segunda ley de la termodinámica , [6] [33] no da como resultado una disminución neta de entropía, [6] [33] y no puede usarse para producir energía útil. Esto se debe a que el proceso requiere más energía de los rayos láser de la que podría producirse por la diferencia de temperatura generada. Los átomos absorben fotones de baja entropía del rayo láser y los emiten en una dirección aleatoria, aumentando así la entropía del medio ambiente. [6] [33]
En 2014, Pekola et al. demostró una realización experimental de un motor Szilárd. [34] [35] Sólo un año después y basándose en una propuesta teórica anterior, [36] el mismo grupo presentó la primera realización experimental de un demonio de Maxwell autónomo, que extrae información microscópica de un sistema y reduce su entropía aplicando retroalimentación. El demonio se basa en dos dispositivos monoelectrónicos acoplados capacitivamente, ambos integrados en un mismo circuito electrónico. El funcionamiento del demonio se observa directamente como una caída de temperatura en el sistema, con un aumento simultáneo de temperatura en el demonio que surge del costo termodinámico de generar la información mutua. [37] En 2016, Pekola et al. demostró una prueba de principio de un demonio autónomo en circuitos acoplados de un solo electrón, mostrando una manera de enfriar elementos críticos en un circuito con información como combustible. [38] Pekola et al. También han propuesto que un circuito qubit simple, por ejemplo hecho de un circuito superconductor, podría proporcionar una base para estudiar un motor cuántico de Szilard. [39]
Los demonios en informática , generalmente procesos que se ejecutan en servidores para responder a los usuarios, llevan el nombre del demonio de Maxwell. [40]
El historiador Henry Brooks Adams , en su manuscrito La regla de fase aplicada a la historia , intentó utilizar el demonio de Maxwell como metáfora histórica , aunque malinterpretó y aplicó mal el principio original. [41] Adams interpretó la historia como un proceso que avanza hacia el "equilibrio", pero vio que las naciones militaristas (sentía que Alemania era preeminente en esta clase) tendían a revertir este proceso, un demonio de la historia de Maxwell. Adams hizo muchos intentos de responder a las críticas de su formulación por parte de sus colegas científicos, pero el trabajo quedó incompleto a su muerte en 1918 y fue publicado póstumamente. [42]
