Парадокс «Демона Максвелла»

Сегодня 31 октября, во многих странах мира отмечается Хэллоуин. Поэтому мы решили познакомить вас с широко известным Демоном Максвелла. Говорят, что было время, когда он был значительно популярнее Кота Шрёдингера.

Так что же это за демон? Нам рассказал старший научный сотрудник, лаборатории нелинейной спектроскопии ИПФ РАН и популяризатор науки Иван Оладышкин.

Парадокс «демон Максвелла» построен на опровержении второго начала термодинамики, которое утверждает, что тепло не может самопроизвольно переходить от более холодного тела к более горячему. В 1867 году физик Джеймс Максвелл предложил мысленный эксперимент, который позволяет «нарушить» этот фундаментальный закон.

Суть парадокса

В сосуде находится газ. Емкость разделена пополам перегородкой со специальной дверкой, которой управляет тот самый «демон Максвелла». Он пропускает из левой части ёмкости в правую только быстрые (горячие) молекулы, а из правой в левую – только медленные (холодные). В итоге частицы разделяются, и в левой части оказываются молекулы с меньшей скоростью, а в правой - с большей. Одна половина сосуда с газом нагревается, а вторая охлаждается без затрат энергии. Но это противоречит второму началу термодинамики (в более сложной формулировке – принципу неубывания энтропии в замкнутых системах)

Опровержение

Конечно, этот парадокс разрешим. Достаточно понять, что «демон» должен быть подключён к стороннему источнику энергии, чтобы как-то измерять скорости подлетающих молекул. Делать это без затрат энергии невозможно.

Строгое разрешение парадокса предложил в 1929 году физик-ядерщик Лео Силард, который даже рассмотрел модель двигателя на основе сосуда с «волшебной» перегородкой и поршнями в каждой из двух частей. А в 2010 году группа учёных из Японии смогли заставить частицу полистирола подниматься вверх по спирали только с помощью энергии броуновского движения. Извне в систему поступали только данные о направлении электромагнитного поля, которое не даёт частице упасть. Таким образом, аналог «демона Максвелла» уже реализован экспериментально, но законы термодинамики он всё же не опровергает.