CURIOZITATI     1. Demonul lui Maxwell

DEMONUL LUI MAXWELL Demonul lui Maxwell este un experiment mental formulat de fizicianul scoţian James Clerk Maxwell, ce-şi propunea să “demonstreze că a doua lege a termodinamicii este certă numai din punct de vedere statistic”, fiind utilizat ca instrument de prezentare a posibilităţii de încălcare a acestei legi. Conceptul a apărut pentru prima dată într-o scrisoare pe care Maxwell a scris-o lui Peter Guthrie Trait pe 1 Decembrie 1867, mai apoi într-o scrisoare adresată lui John William Strutt în 1870, cu puţin timp înainte de a fi dezvăluit publicului în cartea sa din 1871, Teoria Căldurii. Experimentul implică un container teoretic împărţit în două părţi separate de o uşă, ce poate fi deschisă şi închisă de o singură entitate. Entitatea a fost mai târziu denumită “Demonul lui Maxwell” de către William Thomson, Lord Kelvin, cel care a elaborat experimentul lui Maxwell. Conţinut Experimentul mental original Originea termenului   Critică şi dezvoltare Aplicaţii Activitate experimentală  Adams şi demonul ca metaforă istorică Cultură populară Bibliografie alternativă Note Bibliografie suplimentară Experimentul mental original A doua lege a termodinamicii spune că atunci când două corpuri de temperaturi diferite intră în contact, fiind izolate de restul universului, acestea vor evolua spre un echilibru termodinamic în care ambele vor avea aceeaşi temperatură. O formulare echivalentă a principiului este: în decursul oricărui proces natural  entropia unui sistem izolat termic nu poate să scadă. Maxwell a conceput un experiment mental ca şi instrument de înţelegere aprofundată a celei de-a doua legi. El a descris experimentul astfel:   Figură shematică a demonului lui Maxwell  Sa ne imaginam un container împărţit în două părţi, A şi B. Ambele compartimente sunt umplute cu  gaz, la aceeasi temperatura. In peretele despartitor este montat un obturator care poate fi inchis si deschis. Observând moleculele de pe ambele părţi, un demon imaginar păzeşte obturatorul. Când o moleculă cu viteza  peste medie din A zboară spre portiţa ce departajează cele două părţi, demonul deschide, iar molecula va trece din A în B. Viteza medie a moleculelor din B va creşte în timp ce viteza medie a moleculelor din A va scădea. Din moment ce viteza moleculară medie corespunde cu temperatura, temperatura scade în A şi creşte în B, ceea ce contrazice a doua lege a termodinamicii. Originea termenului Când Maxwell a introdus acest concept în scrisorile sale către colegi şi în cartea sa, Teoria Căldurii, l-a descris ca fiind o “fiinţă desăvârşită”. William Thompson (Lord Kelvin) a fost primul care a denumit conceptul lui Maxwell “demon”, în periodicul Nature, în 1874, spunând că a folosit acest cuvant pentru a sugerea mai degrabă grandoarea fiinţei, decât aspectul malefic. Critică şi dezvoltare Mai mulţi fizicieni au prezentat calcule prin care arată că a doua lege a fizicii nu este de fapt violată prin experimentul mental al lui Maxwell, dacă se realizează o analiză mai completă a întregului sistem, inclusiv a demonului. Scopul argumentului fizic este de a arăta prin calcule că orice demon trebuie să “genereze” mai multă entropie pentru a separa moleculele decât ar putea vreodată elimina prin metoda descrisă. Adică, a măsura viteza moleculelor şi a le permite selectiv să treacă prin deschiderea dintre A şi B ar solicita mai mult efort decât cantitatea de energie conţinută de diferenţa de temperatură cauzată. Unul dintre cele mai faimoase replici la această întrebare a fost sugerată în 1929 de Leo Szilard şi mai târziu de Leon Brillouin. Szillard a arătat că un demon de-al lui Maxwell proiectat în realitate ar avea nevoie de instrument de măsură a vitezei moleculare, iar actul în sine de a asimila informaţii ar necesita o cheltuială de energie. A doua lege spune că entropia totală a unui sistem izolat trebuie să crească. Din moment ce demonul şi gazul interacţionează, trebuie să luăm în considerare entropia totală a gazului şi a demonului combinate. Cheltuiala de energie a demonului va cauza o creştere a entropiei demonului, care va fi mai mare decât scăderea entropiei gazului. De exemplu, dacă demonul verifică poziţia moleculară folosind o lanternă, bateria de la lanternă este un dispozitiv de entropie scăzută, o reacţie chimică ar fi pe punctul de a se declanşa. Pe măsură ce energia este consumată emiţând fotoni (a căror entropie trebuie deasemenea luată în considerare), reacţia chimică a bateriei va continua şi entropia sa va scădea, mai mult decât compensând scăderea entropiei gazului. În 1960, Rolf Landauer a prezentat o excepţie a acestui argument. Acesta a realizat că unele procese de măsurare nu necesită creşterea entropiei termodinamice, atâta timp cât acestea sunt reversibile din punct de vedere termodinamic. Acesta a sugerat că măsurătorile “reversibile” ar putea fi folosite pentru a selecţiona moleculele, contrazicând a doua lege. Cu toate acestea, datorită conexiunii între entropia termodinamică şi entropia informaţiei, măsurătoarea înregistrată nu trebuie ştearsă. Cu alte cuvinte, pentru a determina pe ce parte trebuie să se situeze o moleculă, demonul trebuie să asimileze informaţii despre starea moleculei pe care să o şteargă sau să o stocheze. Înlăturarea informaţiei ar duce la creşterea imediată a entropiei, dar demonul nu o pate stoca la infinit. În 1982 Bennet a arătat că, oricât de bine pregătit, acest demon va rămâne fără spaţiu de stocare a informaţiei şi va trebui să înceapă să şteargă informaţia acumulată în prealabil. Ştergerea informaţiei este un proces termodinamic ireversibil ce creşte entropia unui sistem. A se nota că dacă întreg universul ar fi constituit dintr-un demon şi un container, şi energia ar fi necesară pentru a opera portiţa de acces, singura sursă de energie ar fi permiterea căldurii să circule din B în A. Acum, cuantumul circulaţiei de energie de la B la A este o singură particulă mergând de la B la A. Aceasta reface entropia, deoarece particulele singulare ce merg de la B la A sunt în medie mai energetice decât cele ce merg de la A la B.   Argumentul de mai sus poate lua o altă formă dacă uşa este repzentată ca şi o potenţială barieră energetică. Pentru a creşte potenţialul, munca trebuie depusă, iar acel vârf de energie potenţială va trebui să fie mai mare decât energia kinetică a particulei mergând de la A la B. Astfel, cuantumul circulaţiei de energie de la B la A ar trebui să fie mai energetic decât particula ce intră. Cu toate acestea, John Earman şi John Norton au argumentat că interpretările lui Szilard şi Landauer asupra demonului lui Maxwell pornesc de la ipoteza că a doua lege a termodinamicii nu poate fi încălcată, prezentând astfel dovezi că demonul lui Maxwell nu poate încălca circular cea de-a doua lege. Aplicaţii Replici reale ale demonului Maxwellian, dar toţi aceşti “demoni reali” au nivelurile lor specifice de scădere a entropiei datorate echilibrului dintre creşterea entropiei altundeva. Capcanele de atomi singulari folosite de fizicieni ai particulelor permit unui cercetător  să controleze starea “individual quanta” în modalităţi similare demonului lui Maxwell.  Mecanismele de dimensiuni moleculare nu se mai regăsesc doar în biologie, ci şi în noile dezvoltări ale nanotehnologiei. Un dispozitiv pneumatic de scară largă, disponibil în comerţ, denumit Ranque-Hilsch vortex tube separă aer cald de aer rece. Sortează moleculele exploatând conservarea momentului unghiular: moleculele mai calde sunt trimise în exteriorul tubului, în timp ce moleculele mai reci se învârt într-un cerc strâns din interiorul tubului. Gazul din cele două circuite diferite de temperatură poate fi ventilat în capete diferite ale tubului. Deşi aceasta creează o diferenţă de temperatură, energia pentru a face asta este alimentată de presiunea ce străbate gazul prin tub. Dacă materia oglindă ipotetică există, Zurab Silagadze propune că demonii pot fi înfruntaţi, “ceea ce se poate comporta ca nişte perpetuum mobile de al doilea tip: să extragă energia căldurii dintr-un singur rezervor, să o utilizeze pentru muncă şi să fie izolată de mediul. Totuşi, a doua lege nu este violată deoarece demonii îşi plătesc costul de entropie în sectorul ascuns (oglindă) de lume emiţând fotoni-oglindă. “ În prelegerile din 1962, pentru a ilustra termodinamica, fizicianul Richard Feynman a analizat un posibil dispozitiv al demonului lui Maxwell, un mic paddlewheel ataşat la  un clichet, arătând de ce acesta nu poate extrage energia din mişcarea moleculară a unui fluid în echilibru. Acest clichet brownian este un instrument popular de învăţare. Muncă experimentală În numărul din 1 Februarie 2007 a publicaţiei Nature, profesorul de la Universitatea de Edinburgh David Leigh a anunţat proiectarea unui dispozitiv nano bazat pe acest experiment mental. Acest dispozitiv este capabil să dezechilibreze un sistem chimic, dar trebuie alimentat de o sursă externă (lumina, în acest caz) şi astfel nu violează termodinamica. În prealabil, alţi cercetători au creat molecule în formă de inel care ar putea fi plasate pe o axă ce conectează două planuri (denumite A şi B). Particule din fiecare parte s-ar lovi de inel şi l-ar muta dintr-un capăt în altul. Dacă o cantitate mare de dispozitive de acest fel ar fi plasate într-un sistem, jumătate din ele ar avea inelul în planul A şi jumătate în planul B în orice moment din timp. Leigh a realizat o schimbare minoră a axei, astfel încât dacă o lumină ar fi reflectată pe dispozitiv, centrul axial s-ar îngroşa, restricţionând astfel mişcarea inelului. Schimbarea ar permite, totuşi, mişcarea inelului dacă se află în planul A. Astfel, în timp, inelele s-ar muta din planul B în planul A şi ar rămâne blocate acolo, creând un dezechilibru în sistem. În acest experimente, Leigh a fost capabil să modifice în numai câteva minute echilibrul a miliarde de dispozitive de la 50:50 la 70:30. Adams şi demonul ca metaforă istorică Istoricul Henry Brooks Adams a încercat să folosească demonul lui Maxwell ca şi metaforă istorică în manuscrisul său Legea Fazei Aplicată în Istorie, dar acesta nu a înţeles şi nu a aplicat corect principiul original. Adams a interpretat istoria ca şi proces de evoluţie înspre “echilibru”, însă a văzut naţiunile militariste (Germania, cu precădere) ca fiind împotriva acestui proces, reprezentând un Demon al lui Maxwell în istorie. Adams a încercat în repetate rânduri să răspundă criticilor abordării sale venite din partea colegilor săi din mediul ştiinţific, însă munca sa a rămas incompletă până la moartea sa în 1918. S-a publicat, totuşi, post-mortem. Cultură Populară În literatură, demonul lui Maxwell apare în romanele lui Thomas Pynchon, Plângerea Lotului 49 şi Curcubeul Grativăţii şi în opera Dl. Tompkins a lui George Gamos. Deasenenea, acesta a fost menţionat în romanul Homo Faber al autorului elveţian Max Frisch şi într-una dintre povestirile lui Stanislav Lem din Ciberiada: “Expediţia a şasea sau cum au creat Trurl şi Claupauţius un demon de gradul doi spre a-l învinge pe tâlharul Gurilă”. În romanul SF lui al Greg Egan Premutation City, demonul lui Maxwell este numele unui program folosit de personajul Maria pentru a ţine evidenţa “moleculelor” individuale în automatul celular denumit Autoverse. Deasemenea, demonul lui Maxwell apare într-un rol tipic, în subiectul cărţii Master of Five Magics, de Lindon Hardy. Demonul lui Maxwell a fost menţionat ţi în cărţile lui Christofer Stasheff din seria A Wizard in Rhyme, unde Demonul lui Maxwell (Max, pe scurt) ajută personajul principal. În cartea Lunea Începe Sâmbăta a lui Arkady şi Boris Strugatsky, doi demoni lucrează ca şi portari ai Institutului pentru Magie şi Taumaturgie. În sfera povestirilor scurte, Isaac Asimov şi Larry Niven i-au scris un omagiu lui Maxwell. În plus, vrajitorul lui Larry Niven din povestirea The Magic Goes Away foloseşte un astfel de demon pentru a-şi răcori căminul într-o anectodă denumită “Unfinished Story #1” publicată în Playgrounds of the Mind (mai devreme şi în All the Mind Ways). Demonul contribuie deasemenea şi la teza colecţiei de poveşti a lui Ken Kesey, The Demon Box. În povestea “A Feast of Demons” de William Morrison (pseudonim pentru Joseph Samachson), un om de ştiinţă creează demoni Maxwell pentru a schimba temperatura obiectelor, puritatea pietrelor şi chiar schimbarea sau accelerarea procesului de îmbătrânire la oameni, pentru ca în final aceşti demoni să scape şi să provoace dezastre civilizaţiei. O implementare a unei versiuni nanotech plauzibilă ştiinţific pentru demonul lui Maxwell apare în scurta povestire a lui Paul Di Filippo “Any Major Dude”, unde o ţară din poveste apare denumită ca “Ţara lui Maxwell”, iar băştinaşii sunt denumiţi “demoni”. În muzică şi film, Maxwell Demonul era numele primei formaţii a lui Brian Eno, care a servit ca inspiraţie pentru caracterul fictiv din filmul Velvet Goldmine. În 1968, numele de Demon al lui Maxwell e titlu de film în regia lui Hollis Frampton. Deasemenea, demonul este menţionat şi în cântecul “A Metaphysical Drama” a lui Vingersong. O formaţie de muzică gen indie rock din Brooklyn şi o altă formaţie de muzică pop alternativ din Londra poartă numele de Maxwell's Demon. Este menţionat şi în versurile “Isaac's Law” de The Loud Family. Maxwell's Demon este şi o piesă a proiectului de muzică electronică Adultnapper. Jocul pe calculator Maxwell's Maniac din pachetul Microsoft Entertainment Pack se bazează pe acest concept, de asemenea. Teoria apare şi în 2003 în jocul video Max Payne 2, în forma unui spectacol de desene animate în interiorul jocului, a cărui personaj malefic principal se numeşte Demonul lui Maxwell, o creatură creată de  “Doctorul Entropie” cu scopul de a transforma lumea într-un sistem închis groaznic. Deasemenea, în jocul pe calculator din 2007  Neverwinter Nights 2: Mask of the Betrayer, jucătorul se confruntă cu o provocare unde el/ea controlează o trapă între două temniţe formate dintr-o populaţie mixtă de creaturi elementare ale focului şi gheţii (mefiţi, o reprezentare aspră a imaginii clasice de “demon”). Provocarea constă în a separa aceste specii în ciuda tendinţei lor de a se amesteca. În esenţă, jucătorul joacă de fapt rolul de Demon al lui Maxwell. Citând Demonul lui Maxwell, intelectualii matematicieni au filosofat asupra acţiunilor unui criminal în programul de televiziune amecan Numb3ers.Episodul 11 din sezonul 5, denumit "Arrow of Time" a fost difuzat pentru prima oară în 9 ianuarie 2009. Un comic mac Hall joacă rolul personajului Matt ce are o halucinaţie a unui demon denumit Maxwell ce locuieşte în aerul condiţionat şi inlocuieşte moleculele de aer cald cu moleculele răcoroase  .Acesta neagă a doua lege a termodinamicii. James K Galbraith în "The Predator State: How Conservatives Abandoned the Free Market and Why Liberals Should Too", descrie piaţa ca fiind “un factor de decizie necuprinzător – un Demon al lui Maxwell – care, cumva, fără vreun efort, echilibrează şi reflectă preferinţele tuturor participanţilor la deciziile economice...E posibil ca acestea să fie cauzele pentru care nu reprezintă absolut nimic.” (Galbraith 19-20). Muzicianul britanic John B a denumit o piesă de pe albumul său Visions "Maxwell's demon"      Acest material a fost preluat de pe www.wikipedia.org  şi tradus de Groza Paula