Демон Максвелла

*Демон Максвелла* - Мысленный Эксперимент, предложенный шотландским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом в 1872 году в его книге "Теория теплоты" и представляющий из себя описание системы, не подчиняющейся фундаментальному Второму Началу Термодинамики (согласно коему энтропия, то есть хаос, во всех замкнутых системах возрастает). Эксперимент впервые был представлен Максвеллом в переписке с Питером Тейтом около 1867 года, но стал широко известен после публикации вышеупомянутой книги Максвелла, посвящённой проблемам Термодинамики.

## Формулировка, выводы

### Формулировка

*"Герметичный сосуд с газом разделён непроницаемой перегородкой на две части: правую и левую. В перегородке есть отверстие с устройством ("Демон"), которое позволяет пролетать быстрым (горячим) молекулам газа только из левой части сосуда в правую, а медленным (холодным) молекулам — только из правой части сосуда в левую. Тогда через большой промежуток времени «горячие» (быстрые) молекулы окажутся в правом сосуде, а «холодные» останутся в левом."*

### Выводы

В результате правая сторона нагревается, а левая охлаждается, тем самым уменьшая энтропию замкнутой системы и прямо нарушая Второй Закон Термодинамики. Кроме того, из разности температур можно получить полезную энергию, то есть, фактически, такой незначительных персонаж, как Демон Максвелла, микроскопический вахтёр, во пользу человечества передаёт Вам в руки готовый Вечный Двигатель.

## Опровержения

### Термодинамическое опровержение (Любитель трапезничать)

Самой доступной проблемой нашего вахтёра будет факт того, что он живёт во тьме - и дабы попустить молекулу из одной стороны в другую, ему вначале необходимо обнаружить скорость этой молекулы. Дабы же сделать данное ему, к примеру, нужен такой же маленький электрический фонарь. Но, как то не прискорбно, фонарю необходима энергия для выпуска фотонов, а значит, как минимум, мы имеем дело далеко не с вечным двигателем. Далее, рассматривая одинокую жизнь Демона, можно понять, что Ему и/или дверце в сосуде придётся взаимодействовать с молекулами, тем самым нагреваясь, и в результате чего "локальная энтропия" молекул газа будет уменьшаться, но вот суммарная энтропия всего контейнера безукоризненно будет повышаться, ничем не нарушая Второе Начало Термодинамики. Данное разрешение мнимого парадокса было предложено Лео Сцилардом в 1929 году.

### Квантовое опровержение (Слон Максвелла)

Демона полностью опровергает всеми любимая квантовая механика. По принципу неопределённости Гейзенберга у частицы можно измерить только одну характеристику, то есть либо его координаты, либо его скорость, а механизму в сосуде необходимы сразу два этих знания. Бедный Демон будто великан средь лилипутов, словно огромный слон в посудной лавке неуловимых квантов, как сравнивает один источник, ничего не может сделать и только, как показывает Термодинамическое Опровержение, топчась на одном месте и задыхаясь в пыли разрушенных надежд о вечном двигателе, разогревается и повышает хаос внутри системы.

### Информационное опровержение (Компьютер Максвелла)

Предположим, что Демон Максвелла - автоматизированная система манипулирования дверцей, управляемая компьютером. Система производит побитовую обработку входящей информации о скорости и координатах приближающихся молекул. Пропустив

или отклонив молекулу, система должна произвести сброс прежней упорядоченной информации — а это равносильно повышению энтропии на величину, равную снижению энтропии в результате упорядочивания газа при пропускании или отклонении молекулы, информация о которой стерта из оперативной памяти компьютерного демона. Сам компьютер, к тому же, также греется, так что и в такой модели в замкнутой системе, состоящей из газовой камеры и автоматизированной пропускной системы, энтропия не убывает, и второй закон термодинамики выполняется.

## В реальности

* Своеобразный «демон Максвелла», который отделяет возбужденные молекулы с большой энергией от невозбужденных, используется в работе газового лазера. Вообще, лазеры широко используются для охлаждения и пленения атомов и молекул. Вместо перепада температур демон создаёт перепад давлений, который можно утилизировать в виде работы. Лазеры, однако, тоже требуют питания и совершают работу, что вряд ли способствует уменьшению суммарной энтропии.

* В 2010 г. японские физики рассмотрели работу машины Силарда, которая иллюстрирует идею демона Максвелла, в квантовом случае. Законов природы установка не нарушает, поскольку для работы «демона» (камеры, системы коррекции напряжения) необходима энергия, но японцы подчёркивают, что опыт впервые на практике доказал реальность теплового насоса — демона Максвелла, теоретически обоснованного Лео Сцилардом в 1929 году. Такая машина извлекает энергию из изотермической окружающей среды и преобразует её в работу. Кроме того, новый эксперимент позволил проверить уравнение Ярзинского (Jarzynski equality), описывающее преобразование информации в энергию. Энергия, производимая системой, ничтожно мала, однако в будущем может быть использована для питания наноустройств.

* Существует одноимённый проект, созданный, чтобы помочь школьникам интуитивно почувствовать статистическую физику.
* Можно взглянуть на возможный облик демона Максвелла.
* В 2015 г. автономный искусственный демон Максвелла был реализован в виде одноэлектронного транзистора со сверхпроводящими алюминиевыми выводами. Такое устройство позволяет проводить большое количество операций измерения за малый промежуток времен

## В культуре

### В художественной литературе

* В повести «Понедельник начинается в субботу» братьев Стругацких демоны Максвелла приспособлены администрацией НИИЧАВО открывать и закрывать входные двери института.

* В рассказе Сергея Снегова «Право на поиск» одного из героев называли «Повелителем Демонов Максвела» «…почему я ношу странную кличку Повелитель Демонов? Я, естественно, поправил: не Повелитель Демонов вообще, а Повелитель Демонов Максвелла… Мне удалось реально осуществить гениальную идею Максвелла».
* В «Кибериаде» Станислава Лема демон Максвелла упоминается как «демон первого рода». Герои книги создают «демона второго рода», способного извлекать осмысленную информацию из движения молекул воздуха.
* В фэнтези Кристофера Сташефа «Маг при дворе Её Величества», «Маг-целитель», «Маг, связанный клятвой» демон Максвелла вызван заклинанием и по свойствам напоминает волшебного джинна. Он соглашается выполнять желания главного героя, потому что тот хорошо знает законы физики. Выглядит как «бесконечно яркая» точка, парящая в воздухе. В произведениях сам демон называет себя демоном порочности.
* В своем одноимённом эссе Кен Кизи переводит парадокс из области термодинамики в область социологии простой заменой «тепла» на «добро» и «холода» на «зло», доказывая таким образом несостоятельность западной системы ценностей.
* В произведении «Любой крутой чувак» Пола Ди Филиппо демоны Максвелла обеспечивают энергией страну «Земля Максвелла», находящуюся на территории Африки. На основе этой энергии строится политико-независимое научно-техническое утопичное общество.
* В романе Томаса Пинчона «Выкрикивается лот 49» описывается устройство, так называемая «машина Нефастиса», в которой используется демон Максвелла; чтобы его активировать, следует «пристально глядя на фото Джеймса Максвелла, сосредоточить мысль на одном из цилиндров — правом или левом, и тогда демон именно в этом цилиндре поднимает температуру».
* В романе Макса Фриша «Homo Фабер» диссертация главного героя носит название «О значении так называемого максвелловского демона».
* В манге «Моя богиня!» демон Максвелла находится в переднем конце черенка метлы Беллданди (Верданди). Благодаря тому, что демон пропускает только быстрые молекулы газов воздуха в одном направлении, создается реактивная тяга и метла может летать. Изображен в виде миниатюрного Дж. Максвелла в карикатурном виде.
* В манге «Стальной алхимик» все алхимики способны переводить энергию из одного состояния в другое и преобразовывать форму и целостность материи (так называемому демону Максвелла энергия предоставляется из энергии земной коры, образующейся после катаклизмов и извержений вулканов), а также заключать человеческие души в философский камень, который может быть использован для последующего извлечения из него энергии и преобразования в физические объекты и энергию любого типа.
* Появляется в книге Георгия Гамова «Приключения мистера Томпкинса».

### В играх

* В браузерной игре Elements есть игровая карта, вызывающая Демона Максвелла, который способен убить любое существо, чей урон превышает его очки здоровья.
* В браузерной игре Годвилль есть монстр под именем Демон Максвелла и задание «спасти кота Шрёдингера, засунутого демоном Максвелла в резонатор Гельмгольца».
* В компьютерной игре Max Payne 2 также присутствует персонаж телешоу «Капитан Бейсбольная Бита» по имени Демон Максвелла.
* Максвелл (Уильям Картер) — главный антагонист игры Don't Starve, возможно является отсылкой на демона Максвелла. По своей злой воле он отправляет 9 разных героев в, вероятно, созданный им мистический мир (пленником которого он и сам является), где они должны выжить. Также доступен как играбельный персонаж.
* В ролевой игре Neverwinter Nights 2: Mask of the Betrayer эксперимент Основательницы Академии является отсылкой к демону Максвелла. Она предполагает, что хаотически пропуская между двумя помещениями огненных и ледяных элементалей, рано или поздно разделит их так, что все огненные будут в одном помещении, а ледяные в другом. Герою предлагается выступить в роли демона Максвелла, перенеся элементалей вручную по нужным помещениям
* Существует простенькая игра "Маленький Демон", представляющая из себя симулятор скучного бытия героя данного МЭ.

### В аниме

* В аниме El Cazador у главной героини Эллис есть пробуждающаяся сила, способная контролировать демона Максвелла.

### В кино

* В 11 серии 5 сезона сериала «Числа» о сути эксперимента рассказывает Чарльз, на что его отец, Алан, парирует, что в жизни ничто не работает вечно — обязательно что-либо сломается, тем самым нарушив парадокс.

* В фильме «Бархатная золотая жила» фигурирует альтер-эго рок-звезды Брайана Слэйда «Демон Максвелл».

## Ссылки

В данной статье частично используются материалы Википедии, "Бестиария Мысленных Экспериментов" и Elementy.ru.

## Сноски

1. ↑ На Википедии есть более полный разбор этого опровержения, какое, за полнотой данного и наличия большого количества чисел в том, решено было оставить для любознательных в виде этой сноски