Чи можливо порушення другого закону термодинаміки?
У науці, як і в художній літературі, зустрічаються фантастичні персонажі. Мабуть, найбільше їх було вигадано у процесі обговорення другого початку термодинаміки. Найпопулярнішим з них став демон Максвелла, якого придумав Джеймс Кларк Максвелл, автор знаменитої системи рівнянь Максвелла, повністю описує електромагнітні поля. Друге початок (або закон) термодинаміки має безліч формулювань, фізичний зміст яких, проте ж, ідентичний: ізольована система не може мимовільно переходити з менш упорядкованого стану в більш впорядкована. Так, газ, що складається з молекул, що рухаються з різними швидкостями, що не може мимовільно розділитися на дві частини, в одній з яких зберуться молекули, що рухаються, в середньому, швидше середньостатистичної швидкості, а в іншій - повільніше.
Багато фізичні процеси відносяться до категорії оборотних. Воду, наприклад, можна заморозити, а отриманий лід знову розтопити, і ми отримаємо воду в колишньому обсязі і стані; залізо можна намагнітити, а потім розмагнітити і т. п. При цьому ентропія (ступінь впорядкованості) системи в початковій і кінцевій точці процесу залишається незмінною. Є й незворотні в термодинамічній розумінні процеси - горіння, хімічні реакції і т. п. Тобто, відповідно до другого початку термодинаміки, будь-який процес у результаті приводить або до збереження, або до зниження ступеня впорядкованості системи. Така дисгармонійна ситуація сильно спантеличила фізиків другої половини XIX століття, і тоді Максвелл запропонував парадоксальне рішення, що дозволяє, здавалося б, обійти другий початок термодинаміки і звернути неухильне зростання хаосу в замкнутій системі. Він запропонував наступний «уявний експеримент»: уявімо собі герметичний контейнер, розділений надвоє газонепроникної перегородкою, в якій є єдина дверцята розміром з атом газу. На початку досвіду у верхній частині контейнера міститься газ, а в нижній - повний вакуум.
Тепер уявімо, що до дверцят приставлений якийсь мікроскопічний вахтер, пильно стежить за молекулами. Швидким молекулам він дверцята відкриває і пропускає їх за перегородку, в нижню половину контейнера, а повільні залишає у верхній половині. Зрозуміло, що якщо такий міні-вахтер буде чергувати біля дверцят досить довго, газ розділиться на дві половини: у верхній частині залишиться холодний газ, що складається з повільних молекул, а в нижній накопичиться гарячий газ із швидких молекул. Тим самим система впорядкується в порівнянні з вихідним станом, і другий початок термодинаміки буде порушено. Мало того, різницю температур можна буде використовувати для отримання роботи (див. принцип Карно). Якщо такого вахтера залишити на чергуванні навічно (або організувати змінне чергування), ми отримаємо вічний двигун.
Цей кумедний вахтер, якому дотепні колеги вченого дали прізвисько «демон Максвелла», до цих пір живе в науковому фольклорі і хвилює уми вчених. Дійсно, вічний двигун людству б не пошкодив, але от лихо: судячи з усього, щоб демон Максвелла заробив, йому самому потрібно енергоживлення у вигляді припливу фотонів, необхідних для освітлення наближаються молекул і їх просіювання. Крім того, просіваючи молекули, демон і дверцята не можуть не вступати з ними у взаємодію, в результаті чого вони самі будуть неухильно отримувати від них теплову енергію і нарощувати свою ентропію, в результаті чого сумарна ентропія системи все одно зменшуватися не буде. Тобто таким поясненням теоретична загроза другому початку термодинаміки була відведена, але не беззастережно.
Перший по-справжньому переконливий контраргумент був сформульований незабаром після зародження квантової механіки. Для сортування підлітають молекул демону потрібно вимірювати їх швидкість, а зробити це з достатньою точністю він не може в силу принципу невизначеності Гейзенберга. Крім того, в силу цього ж принципу він не може точно визначити і місцезнаходження молекули в просторі, і частина молекул, перед якими він відкриває мікроскопічну дверцята, з цією дверцятами розминутися. Іншими словами, демон Максвелла на перевірку виявляється макроскопічними слоном у посудній лавці мікросвіту, який живе за власними законами. Наведіть демона у відповідність до законів квантової механіки, і він виявиться не в змозі сортувати молекули газу і просто перестане становити якусь загрозу другому початку термодинаміки.
Інший вагомий аргумент проти можливості існування демона-вахтера з'явився вже в комп'ютерну еру. Припустимо, що демон Максвелла - це комп'ютерна автоматизована система управління відкриванням дверцят. Система робить побітове обробку вхідної інформації про швидкість і координати наближаються молекул. Пропустивши або відхиливши молекулу, система повинна зробити скидання колишньої впорядкованої інформації - а це рівносильно підвищенню ентропії на величину, рівну пониженню ентропії в результаті упорядкування газу при пропущенні або відхилення молекули, інформація про яку стерта з оперативної пам'яті комп'ютерного демона. Сам комп'ютер, до того ж, також гріється, так що і в такій моделі в замкнутій системі, що складається з газової камери і автоматизованої пропускної системи, ентропія не зменшується, і другий закон термодинаміки виконується.
Шкода демона - симпатичний був персонаж.