Ich bin besessen! Ja, mit dem Gedanken, dass, wenn es tatsächlich einen Maxwell-Dämon gibt, dieser die vernachlässigbar gewichtete Tür öffnen würde, die letztendlich das zweite Gesetz ungültig machen würde. Aber kann das zweite Gesetz wirklich ungültig sein? Das ist nicht meine Frage. Es ist ein universelles Gesetz. Was sollte also die Logik sein, dass der Dämon versagen würde? Sagen Sie bitte nicht, dass Arbeit geleistet werden muss, um die Tür zu öffnen. Die Tür ist so leicht, dass kaum Arbeit geleistet wird.
Die Auflösung von Maxwells Dämonen-Paradoxon wird meistens durch das Landauer-Prinzip verstanden , und es ist eine der überzeugendsten Anwendungen der Informationswissenschaft in der Physik. Das Landauer-Prinzip besagt, dass das Löschen von Informationen aus einem physikalischen System immer Arbeit erfordert, insbesondere mindestens
Energie, die verbraucht und schließlich als Wärme freigesetzt wird. Das Konzept des „Löschens von Informationen“ ist relativ knifflig, aber es gibt einige ziemlich solide Grundlagen, um zu glauben, dass dieses Prinzip richtig ist.
Um es auf den Dämon anzuwenden, sollten Sie sich darüber im Klaren sein, dass der Dämon aus (mindestens) zwei Teilen besteht: einem Sensor, der erkennt, wenn Partikel kommen, und einem Aktuator, um die Tür tatsächlich zu bewegen. Damit der Dämon korrekt funktioniert, muss der Aktuator auf die aktuelle Anweisung des Sensors reagieren und nicht auf die vorherige, sodass er Anweisungen vergessen muss, sobald eine neue eintrifft. Dies erfordert einige Arbeit: Es gibt eine physikalische Systemcodierung ein bisschen und es kostet einige Energiekosten, um es umzudrehen.
Nun gibt es einige Kritik am Landauer-Prinzip, und es ist nicht ganz klar, ob es vom zweiten Hauptsatz der Thermodynamik abhängt oder ob es unabhängig bewiesen werden kann; ein Beispiel finden Sie in diesem Dokument ( doi ). Nichtsdestotrotz, selbst wenn es sich um eine Neuformulierung des Zweiten Hauptsatzes handelt, hat es eine beträchtliche Erklärungskraft, da es klarstellt, wie der Zweite Hauptsatz es dem Dämon verbietet, zu operieren.
Vier Ergänzungen zu anderen Antworten und Ihren Fragen:
Ich stimme mit Ihrer Meinung über die Tür. Im Prinzip kann es beliebig nahe an verlustfrei sein.
Der Arbeitsaufwand entsteht nicht durch das Wissen, wann die Tür geöffnet werden muss, dh durch das Messen des Zustands von Gaspartikeln. Das dachte sich auch Leo Szilard, als er 1929 in L. Szilard, „Über die Entropieverminderung in einem thermodynamischen System bei eingriffen intelligenter Wesen“, Zeitschrift für Physik 53 (1929), S. 840-856.
Ein paar Worte zur weiteren Erläuterung von Emilio Pisantys Antwort . Man kann sich das Landauer-Prinzip als letztlich aus der Reversibilität physikalischer Systeme herrührend vorstellen. Wir können den Daemon durch einen einfachen endlichen Zustandsautomaten mit drei Zuständen ersetzen, und dies wurde tatsächlich im Labor durchgeführt, siehe Shoichi Toyabe; Takahiro Sagawa; Masahito Ueda; Eiro Muneyuki; Masaki Sano, "Informationswärmemaschine: Umwandlung von Informationen in Energie durch Rückkopplungssteuerung", Nature Physics 6 (2010), No. 12, S. 988-992. . Indem wir uns den Maxwell Daemon auf diese Weise als eine extrem einfache, mechanistische Zustandsmaschine vorstellen, erzählen wir elegant Szilards Intelligenter Wesenauf die Straße zu gehen Jack und ein für alle Mal jegliches Gerede von „Intelligenz“ und „Bewusstsein“ aus diesen Diskussionen zu verbannen. Informationen in realen Systemen, wie der Zustand dieser endlichen Zustandsmaschine, müssen als physikalische Zustände des Systems kodiert werden. Wenn nun der Computerspeicher gelöscht oder überschrieben wird, muss dies bedeuten, dass das von ihm codierte Bit stattdessen verschlüsselt in den Zuständen der jetzt subtil veränderten Materie des Maxwell-Daemons – des Computers – landen muss, wenn wir die Umkehrbarkeit des akzeptieren Gesetze der Physik auf mikroskopischer Ebene: Eine Simulation könnte jeden früheren Zustand eines physikalischen Systems aus einer vollständigen Spezifikation eines späteren oder früheren Zustands berechnen. Physikalische Systeme haben eine endliche Informationsspeicherkapazität - eine der einzigen Möglichkeiten, wie ihre Informationsaufnahmekapazität erhöht werden kann, besteht darin, sie zu erhitzen (denken Sie an einen Quantenoszillator - wenn Sie ihn erhitzen, kann er auf immer höhere Zustände zugreifen und somit mehr Informationen kodieren ). Da der Daemon also immer mehr Bits „vergessen“ hat, müsste seine Materie immer mehr thermalisiert werden, um mehr Speicherplatz für die „meine Antwort auf die Frage "Wie können die Mikrozustände ohne Energieaufwand gemessen werden?" hier
Ich glaube, James Clerk Maxwell hat den Daemon tatsächlich konzipiert, um die statistische Natur des zweiten Hauptsatzes zu demonstrieren: dass er im Prinzip von einer "Intelligenz" verletzt werden könnte. WIE wir jetzt wissen, gilt das zweite Gesetz immer noch.
Eine der besten Referenzen zu diesem Thema ist Charles Bennetts Übersichtsartikel:
Man kann sich das auch rein informativ vorstellen, ohne sich gleich von vornherein auf die Thermodynamik zu berufen. Sie haben also nur ein System und wissen nicht, in welchem physikalischen Zustand es sich befindet. Wenn wir dann dieses System mit allen Funktionen betrachten, die zum Betrieb von Maxwells Dämon erforderlich sind, als ein vollständig isoliertes System, so dass sogar die Quantendekohärenz gehemmt wird , dann wird es sich in der Zeit entsprechend der einheitlichen Zeitentwicklung entwickeln. Dies bedeutet, dass es eine Eins-zu-Eins-Abbildung von End- zu Anfangszuständen gibt, es ist nicht möglich, dass sich zwei physikalisch unterschiedliche Anfangszustände zu demselben Endzustand entwickeln.
Dies bedeutet insbesondere, dass Sie nicht haben können solcher Systeme jeweils in einem anderen Zustand und enden damit, dass diese Systeme in einem anderen Zustand sind mögliche Endzustände, wenn . Damit Maxwells Dämon effektiv ist, muss er daher die geringere Anzahl verfügbarer physikalischer Zustände kompensieren, er kann Informationen in seinem eigenen Speicher speichern oder an anderer Stelle ablegen. In diesen Fällen bleibt die Gesamtzahl der Zustände gleich, es ist nur der Teil des Systems, an dem wir interessiert sind, der in einem der wenigen möglichen Endzustände endet.
Das Einzige, was Maxwells Dämon kann, was nach herkömmlicher Thermodynamik unmöglich wäre, ist, ein System in seinen exakten quantenmechanischen Grundzustand entwickeln zu lassen, dh es (exakt) auf den absoluten Nullpunkt abzukühlen. Mit herkömmlichen thermodynamischen Mitteln ist dies nicht möglich, denn um etwas zu kühlen, braucht man entweder zuerst etwas Kühleres oder man muss das System arbeiten lassen. Offensichtlich hilft der erstere Fall nicht, wenn versucht wird, etwas genau auf den absoluten Nullpunkt zu kühlen, und im letzteren Fall bleibt die Entropie bestenfalls konstant.
Der Grund, warum die Thermodynamik in diesem Fall verletzt werden kann, liegt darin, dass wir in der Thermodynamik davon ausgehen, dass Sie von der großen Anzahl von Freiheitsgraden eines Systems nur wenige externe Parameter zur Verfügung haben, um das System zu manipulieren. Maxwells Dämon hält sich offensichtlich nicht an diese Regel, kann jedoch der einheitlichen Zeitentwicklung nicht entkommen und es irgendwie zulassen, dass sich zwei verschiedene Anfangszustände zu demselben Endzustand entwickeln.
Die Probleme des Dämons kommen von der Zufälligkeit. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt lediglich, dass sich der Zufall durch jedes Loch und jedes Hindernis ausbreitet. Nur wegen der Zufälligkeit.
Wenn Sie dem Zufall ein sehr komplexes Schloss auf den Weg legen, wird es früher oder später die Kombination finden. Es ist nur eine Frage der Zeit.
Wenn also ein Dämon mit der Außenwelt interagiert, kann eine Zufälligkeit einen Weg in den Dämon finden, in seine Eingeweide. Sobald es drinnen ist, stört es die Arbeit von Demon und im Moment befindet er sich im thermischen Gleichgewicht mit der Umgebung.
Dies ist die Frage der Anatomie des Dämons, wie stabil er unter den Umständen ständiger zufälliger Angriffe ist.
Zufälligkeit kann dazu führen, dass Moleküle den Körper des Dämons treffen. Wird er es aushalten? Wird er im Moment des Aufpralls keinen Fehler mit seiner Tür machen? Wie gut wird Demon nach Milliarden von Treffern sein?
Zufälligkeit kann dazu führen, dass Demon sich mit Molekülen verwechselt. Was wäre, wenn Demon ein schnelles Molekül findet und die Tür öffnet, um daran vorbeizukommen, aber im nächsten Moment ein Molekül von einem anderen Molekül getroffen wird und langsam wird? Dämon wird falsches Molekül passieren. Sobald Demon Milliarden Fehler macht, wird er dann nicht wütend und beginnt umgekehrt zu arbeiten?
Moleküle für lange Zeit trennen, Türen stundenlang schließen und öffnen, wird Demon nicht müde? Vielleicht entschließt er sich irgendwann, Tennis zu spielen? Wird sein Gehirn nicht verrückt und willkürlich?
Sie sehen, dass nichts Wirkliches zum Job passen kann.
Aber wenn wir einen "absoluten" Demon haben, dann kann er natürlich den Job machen.
Die folgenden Anforderungen gelten für Kandidaten für den Job von Demon:
1) Er sollte eine schwerelose und reibungsfreie Tür haben
2) er sollte ein Radar haben, das die Position und Geschwindigkeit von Molekülen erkennt, aber niemals beeinflusst; Insbesondere werden Radarstrahlen niemals versehentlich emittiert und niemals Moleküle angestoßen
3) Er sollte allen Stößen von Molekülen auf seinen Körper standhalten und weiterarbeiten
Aus thermodynamischer Sicht wäre ein solcher Dämon nur eine unendliche Energiequelle. Es wird Ordnung in unsere Welt bringen und jedem Chaos widerstehen, das in ihn und aus ihm dringt.
JamalS
QMechaniker
Superbest
Dimmt
Markus Janssen