Demon Maxwella – czy nawet fizyka ma swoje demony?

Demon Maxwella jest hipotetyczną istotą jaką opisał James Clark Maxwell. Jest to swojego rodzaju eksperyment myślowy, którego celem jest wizualizacja sensu fizycznego drugiej zasady termodynamiki. Zabrania ona między innymi powstawania znaczącej różnicy temperatur dwóch ciał odizolowanych od otoczenia, które mają tę samą temperaturę i możliwość swobodnej wymiany między sobą masy lub ciepła. Oznacza to, że żaden układ izolowany termodynamicznie nie ma możliwości zmniejszenia swojej entropii bez „demona”.

Demon Maxwella – definicja i rozważania badawcze

Możliwość istnienia demona Maxwella stała się swojego rodzaju paradoksem w termodynamice. Fizyk podał jego definicję w 1867 r., która pojawiła się w książce „Theory of Heat” z 1871 roku.
W przekładzie na język polski brzmi ona następująco:

„[...]jeśli wyobrazimy sobie istotę potrafiącą podążać za każdą molekułą z osobna, to taka istota, mimo iż posiadałaby takie same atrybuty istnienia jak my, byłaby zdolna do czynów, które są dla nas niewykonalne. Jak dowiedliśmy, cząsteczki w naczyniu pełnym powietrza w stałej temperaturze poruszają się z najróżniejszymi prędkościami, jednakże średnia prędkość dowolnej dużej, losowo wybranej ich liczby jest zawsze niemal jednakowa. Wyobraźmy sobie, że naczynie to jest podzielone na dwie części A i B przegrodą, w której znajduje się mały otwór i nasza istota zdolna widzieć pojedyncze cząsteczki, która otwiera i zamyka ten otwór, tak aby przepuszczać tylko szybsze cząsteczki z A do B i tylko wolniejsze z B do A. Będzie ona zatem bez wydatkowania pracy zwiększała temperaturę B i zmniejszała A, w sprzeczności z drugim prawem termodynamiki[...]".

Już w 1929 roku niezależne badania Léona Brillouina i Leó Szilárda pozwoliły na powstanie pierwszego rozwiązania tego paradoksu za pośrednictwem teorii pomiaru. Szilárd stwierdził, że demon Maxwella musiałby wydatkować energię na dokonywanie pomiaru prędkości cząsteczek, a równolegle stanowiłby część układu termodynamicznego, w którym zaburzałby równowagę ze względu na selekcjonowanie cząsteczek. Oznacza to, że źródło energii przeznaczonej na pomiar przez demona musiałoby być również zlokalizowane w tym układzie. Jakkolwiek demon zmniejszyłby entropię w zbiorniku powietrza, stałoby się to kosztem jej wzrostu w źródle energii. W konsekwencji bilans entropii całego układu wciąż pozostawałby dodatni.

Demon Maxwella we współczesnych badaniach

W 2015 roku zespół brytyjsko-polsko-singapurskich badaczy prowadził badania nad drugą zasadą termodynamiki i demonem Maxwella. Obszarem badania były silniczki w skali mikroskopijnej. Badania te wykazały, że demon Maxwella nie ma racji bytu, a druga zasada termodynamiki jest niemożliwa do ominięcia w mikroświecie. Okazało się również, że mała skala dokłada dodatkowe ograniczenia, które nie były widoczne w dużej skali. Wynika z tego, że wydajność mikroskopijnych silniczków nigdy nie będzie tak wysoka, jak w przypadku podobnych dużych silników. Ograniczenia odnotowane w mikroświecie sprawiają, że konieczne jest wykorzystanie większej ilości zasobów do wykonania tej samej pracy. W badaniach tych wykorzystano kwantową teorię informacji, co okazało się dość niespodziewane w odniesieniu do przedmiotu badań. Co ciekawe jeszcze przed wspomnianymi doświadczeniami demon Maxwella został zanegowany przez liczne środowiska naukowe. Mimo to wciąż pojawia się przy okazji różnych eksperymentów i badań powiązanych z drugą zasadą termodynamiki.