El demonio de maxwell

Figura esquemática del experimento de pensamiento demoníaco de Maxwell

El demonio de Maxwell es un experimento mental que hipotéticamente violaría la segunda ley de la termodinámica. Fue propuesto por el físico James Clerk Maxwell en 1867. En su primera carta, Maxwell llamó al demonio un "ser finito", mientras que el nombre Daemon fue utilizado por primera vez por Lord Kelvin.

En el experimento mental, un demonio controla una pequeña puerta sin masa entre dos cámaras de gas. A medida que las moléculas de gas individuales (o átomos) se acercan a la puerta, el demonio abre y cierra rápidamente la puerta para permitir que solo las moléculas de movimiento rápido pasen en una dirección, y solo las moléculas de movimiento lento 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, sin aplicar ningún trabajo, violando así la segunda ley de la termodinámica.

El concepto del demonio de Maxwell ha provocado un debate sustancial en la filosofía de la ciencia y la física teórica, que continúa hasta el día de hoy. Estimuló el trabajo sobre la relación entre la termodinámica y la teoría de la información. La mayoría de los científicos argumentan, sobre bases teóricas, que 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.

Origen e historia de la idea

El experimento mental apareció por primera vez en una carta que Maxwell le escribió a Peter Guthrie Tait el 11 de diciembre de 1867. Volvió a aparecer en una carta a John William Strutt en 1871, antes de que se presentara al público en el libro de Maxwell de 1872. sobre termodinámica titulado Teoría del calor.

En sus cartas y libros, Maxwell describió al agente que abría la puerta entre las cámaras como un "ser finito". William Thomson (Lord Kelvin) fue el primero en utilizar la palabra "demonio" para el concepto de Maxwell, en la revista Nature en 1874, y dio a entender que su intención era la interpretación de la mitología griega de un demonio, un ser sobrenatural que trabajaba en el fondo, en lugar de un ser malévolo.

Experimento mental original

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 La segunda ley también se expresa como la afirmación de que en un sistema aislado, la entropía nunca disminuye.

Maxwell concibió un experimento mental como una forma de promover la comprensión de la segunda ley. Su descripción del experimento es la siguiente:

... si concibemos de un ser cuyas facultades están tan afiladas que puede seguir cada molécula en su curso, tal ser, cuyos atributos son tan esencialmente finitos como los nuestros, sería capaz de hacer lo que es imposible para nosotros. Porque hemos visto que las moléculas en un vaso lleno de aire a temperatura uniforme se están moviendo con velocidades por ningún medio uniforme, aunque la velocidad media de cualquier gran número de ellas, seleccionada arbitrariamente, es casi exactamente uniforme. Ahora supongamos que tal nave está dividida en dos partes, A y B, por 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 permitir que sólo las moléculas más rápidas pasen de A a B, y sólo las moléculas más lentas a pasar de B a A. Así, sin gastos de trabajo, elevará la temperatura B y menor 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. Ambas partes se llenan con el mismo gas a la misma temperatura y se colocan una al lado de la otra. Al observar las moléculas en ambos lados, un demonio imaginario guarda una trampilla entre las dos partes. Cuando una molécula más rápida que el promedio de A vuela hacia la trampilla, el demonio la abre y la molécula volará de A a B. Del mismo modo, cuando una molécula más lenta que el promedio de B vuele hacia la trampilla, el demonio la dejará pasar de B a A. La velocidad promedio de las moléculas en B habrá aumentado mientras que en A habrán disminuido en promedio. 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 operando 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 solo 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.

Crítica y desarrollo

Varios físicos han presentado cálculos que muestran que la segunda ley de la termodinámica en realidad no se violará si se realiza un análisis más completo de todo el sistema, incluido el demonio. La esencia del argumento físico es mostrar, por cálculo, que cualquier demonio debe "generar" más entropía segregando las moléculas de la que podría eliminar por el método descrito. Es decir, se necesitaría más trabajo termodinámico para medir la velocidad de las moléculas y permitirles selectivamente pasar 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, y luego por Léon Brillouin. Szilárd señaló que un demonio de Maxwell de 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 en 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. Se dio cuenta de que algunos procesos de medición no necesitaban aumentar la entropía termodinámica siempre que fueran termodinámicamente reversibles. Sugirió estos "reversibles" las mediciones podrían usarse para clasificar las moléculas, violando la Segunda Ley. Sin embargo, debido a la conexión entre la entropía termodinámica y la entropía de la información, esto también significa que la medición registrada no debe borrarse. En otras palabras, para determinar si dejar pasar una molécula, el demonio debe adquirir información sobre el estado de la molécula y desecharla 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, al final el demonio se quedará sin espacio de almacenamiento de información y deberá comenzar a borrar la información que ha recopilado previamente. 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, 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, la energía mínima disipada al eliminar información fue medida experimentalmente por Eric Lutz et al. en 2012. Además, Lutz et al. confirmó que en Para acercarse al límite de Landauer, el sistema debe acercarse asintóticamente a la velocidad de procesamiento cero.

John Earman y John D. Norton han argumentado que las explicaciones de Szilárd y Landauer sobre el demonio de Maxwell comienzan suponiendo que el demonio no puede violar la segunda ley de la termodinámica y derivan otras propiedades del demonio. demonio de este supuesto, incluyendo la necesidad de consumir energía al borrar información, etc. 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.

Progreso reciente

Aunque el argumento de Landauer y Bennett solo responde a la consistencia 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 termodinámica de no 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 en el que aumenta la correlación (información mutua) entre el motor y el demonio, y el proceso de retroalimentación se considera un proceso en el que la correlación disminuye. Si la correlación cambia, las relaciones termodinámicas como la segunda ley de la termodinámica y el teorema de fluctuación para cada subsistema deben modificarse, y para el caso de control externo se satisface una segunda ley como la desigualdad y un teorema de fluctuación generalizado con información mutua. Estas relaciones sugieren que necesitamos un costo termodinámico adicional para aumentar la correlación (caso de medición) y, en contraste, aparentemente podemos violar la segunda ley hasta el consumo de correlación (caso de retroalimentación). Para procesos de información más generales, incluido el procesamiento de información biológica, se mantienen tanto la desigualdad como la igualdad con información mutua.

Aplicaciones

Existen versiones de la vida real de los demonios maxwellianos, pero todos esos "demonios reales" o los demonios moleculares tienen sus efectos de reducción de la entropía debidamente equilibrados por el aumento de la entropía en otros lugares. Los mecanismos de tamaño molecular ya no se encuentran solo en biología; también son objeto del campo emergente de la nanotecnología. Las trampas de un solo átomo utilizadas por los físicos de partículas permiten que un experimentador controle el estado de los cuantos individuales de una manera similar al demonio de Maxwell.

Si existe la materia especular hipotética, Zurab Silagadze propone que se pueden imaginar demonios, "que pueden actuar como móviles perpetuos del segundo tipo: extraer energía térmica de un solo depósito, usarla para trabajar y aislarse de el 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 de espejo."

Trabajo experimental

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 desequilibrar un sistema químico, pero debe ser alimentado por una fuente externa (luz en este caso) y, por lo tanto, no viola la termodinámica.

Anteriormente, los investigadores, incluido el ganador del 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 cualquiera de los sitios chocarían contra el anillo y lo moverían de un extremo a otro. Si se colocara 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 cualquier momento dado.

Leigh realizó un cambio menor en el eje para que, si se ilumina el dispositivo con una luz, el centro del eje se haga más grueso, lo que restringe el movimiento del anillo. Sin embargo, evita que el anillo se mueva solo si está en A. Con el tiempo, por lo tanto, los anillos se moverán de B a A y se atascarán allí, creando un desequilibrio en el sistema. En sus experimentos, Leigh pudo tomar una olla de "miles de millones de estos dispositivos" de equilibrio 50:50 a desequilibrio 70:30 en pocos minutos.

En 2009, Mark G. Raizen desarrolló una técnica de enfriamiento atómico por láser que realiza el proceso que Maxwell imaginó de clasificar átomos individuales en un gas en diferentes contenedores en función de su energía. El nuevo concepto es una pared 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 a una longitud de onda específica, seguido de 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 colaboradores propusieron usar 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 los átomos más adelante en 2008. Su experimento se basó en el esquema de 2005 para el muro unidireccional, y no se utilizó para refrigeración. El método de enfriamiento realizado por el Grupo Raizen se denominó "enfriamiento de un solo fotón", porque solo se requiere un fotón en promedio para llevar un átomo 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 lo tanto, 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 en 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 es un verdadero demonio de Maxwell en el sentido de que no viola la segunda ley de la termodinámica; no da como resultado una disminución neta de la entropía y no se puede utilizar para producir energía útil. Esto se debe a que el proceso requiere más energía de los rayos láser de la que podría producir 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 entorno.

En 2014, Pekola et al. demostró una realización experimental de un motor Szilárd. Solo un año después y basándose en una propuesta teórica anterior, 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 mediante la aplicación de retroalimentación. El demonio se basa en dos dispositivos de un solo electrón acoplados capacitivamente, ambos integrados en el mismo circuito electrónico. La operación 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. En 2016, Pekola et al. demostró una prueba de principio de un demonio autónomo en circuitos acoplados de un solo electrón, mostrando una forma de enfriar elementos críticos en un circuito con información como combustible. 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.

Como metáfora

Los demonios en informática, generalmente procesos que se ejecutan en servidores para responder a los usuarios, reciben su nombre del demonio de Maxwell.

El historiador Henry Brooks Adams en su manuscrito La regla de las fases aplicada a la historia intentó usar el demonio de Maxwell como una metáfora histórica, aunque malinterpretó y aplicó mal el principio original. Adams interpretó la historia como un proceso que avanza hacia el 'equilibrio', pero vio a las naciones militaristas (sentía a Alemania preeminente en esta clase) como tendientes a revertir este proceso, un demonio de la historia de Maxwell. Adams hizo muchos intentos de responder a las críticas a su formulación por parte de sus colegas científicos, pero el trabajo quedó incompleto en Adams' muerte en 1918. Fue publicado sólo póstumamente.