Den Maxwells demon er et tankeeksperiment utviklet av James Clerk Maxwell i 1867, som tyder på at termodynamikkens andre lov gjelder bare så statistikken . Denne loven etablerer irreversibiliteten til statistiske fysikkfenomener og spesielt termiske overføringer , noe som resulterer i en kontinuerlig økning i entropi . For eksempel, hvis vi lar døren til et kjøleskap være åpent, vil temperaturen på kjøleskapet og rommet balansere ut, og dette irreversibelt uten energiinngang. Imidlertid foreslår eksperimentet med demonen til Maxwell en prosess som gjør det mulig å gå tilbake til en ulik temperatur, uten å bruke energi, og ved å redusere entropien, noe som i prinsippet er umulig i henhold til termodynamikkens andre lov.
Dette paradokset har utløst, og fremdeles gir opphav til, et stort antall studier og debatter siden formuleringen i 1871. I mer enn et halvt århundre gikk studien ikke så mye frem til Leó Szilárd foreslo i 1929 en fysisk modell av Maxwells demon som gjør det mulig å studere prosessen presist og formelt.
Tjue år senere, i 1949 , foreslo Léon Brillouin en løsning på paradokset som understreket behovet for demonen å skaffe seg informasjon , og viser at denne anskaffelsen øker systemets entropi og redder den andre loven. Etter å ha blitt adoptert av størstedelen av det vitenskapelige samfunnet, har denne løsningen blitt mer og mer stilt spørsmål ved, særlig ved etablering av modeller for automatiske "demoner", der anskaffelse av informasjon ikke spiller en rolle. Avgjørende rolle. Brillouins kobling mellom entropi og informasjonsteori har også blitt kritisert.
Et nytt vendepunkt fant sted i 1961 , da Rolf Landauer - etterfulgt av Charles Bennett - fremhevet viktigheten av å huske informasjon og spesielt behovet for å slette dette minnet for å gjennomføre en komplett termodynamisk syklus. Slettingen av minnet som koster entropi, som gjenoppretter det andre prinsippet om termodynamikk.
Mer moderne studier som involverer kvanteversjoner av Maxwells demon, spesielt utført av Wojciech Hubert Zurek på 1980-tallet, bekrefter Landauers prinsipp . Imidlertid fortsatte nye modeller av tankeeksperimenter som utfordret det andre prinsippet, ble foreslått på 2000-tallet, enten ikke å kreve sletting av informasjon, eller ikke bruke begrepet informasjon i det hele tatt, eller til og med demon, men utnytte spesifikke forhold som ikke-euklidisk geometrier , kvanteforvikling eller kraftfelt.
Maxwells demoneksperiment består av en boks som inneholder en gass, med to rom (A og B) adskilt av en port P i molekylær skala; en "demon" kommanderer døren. Driften av døren kaster ikke bort energi. Maxwell antar, som folk begynte å innrømme den gangen, at gass består av bevegelige molekyler. Demonen er i stand til å bestemme hastigheten til molekyler, og styrer åpningen eller lukkingen av døren avhengig av tilstanden til molekylene.
Derfra har opplevelsen flere varianter.
I sin opprinnelige versjon er temperaturen høyere i rom B enn i rom A. Temperaturen er imidlertid proporsjonal med rotens gjennomsnittlige kvadrathastighet for molekylene. Demonen lar passere fra rom B til rom A molekylene til B langsommere enn gjennomsnittshastigheten til molekylene i rom A, og lar passere fra A til B molekylene A raskere enn gjennomsnittshastigheten til molekylene i B. Resultat: temperaturen i B har økt mens temperaturen til A er redusert: vi har derfor avkjølt en kald kilde fra en varm kilde, som den andre loven om termodynamikk er ment å forby. Den totale entropien i systemet blir derfor redusert .
I en variant åpner demonen døren for molekyler som ønsker å komme inn i det første rommet (A), men den lukker døren for de som vil gå. Dermed passerer molekylene spontant, uten arbeid , fra B til A. Demonen øker energien inne i rom A og reduserer den i rom B: det ville derfor være mulig å bruke informasjonen som demonen besitter. (Gjenkjenning av molekyler og sortering på dette grunnlaget) for å transformere kinetisk energi fra termisk agitasjon til arbeid .
De to situasjonene er ekvivalente, siden overgangen fra den endelige situasjonen til det første eksperimentet til den andre er enkel.
I følge stort sett synspunkt , ble dette løftet utført av fysikeren Léon Brillouin .
For å ta avgjørelsene om å la en partikkel passere eller sende den tilbake, er demon forpliktet til å observere den, og derfor bruke informasjonen til sin disposisjon. Mengden informasjon som dette representerer er minimal, men hvis vi går til det mikroskopiske nivået, med 10 23 ganger flere molekyler, er informasjonen som dermed brukes av Maxwells demon, og antas ikke å være tilgjengelig av den makroskopiske observatøren, viktig. Fallet i entropi som følge av bruk av informasjon tilgjengelig for demonen tilsvarer da nøyaktig forskjellen mellom informasjon tilgjengelig for den makroskopiske observatøren og informasjon tilgjengelig for demonen. Umuligheten for den makroskopiske observatøren av å gjøre det samme som demonen avhenger derfor av hypotesen om at informasjonen som er tilgjengelig for demonen, vil kreve for en makroskopisk observatør å nedbryte mekanisk energi til varme for en mengde som taper ved minst like mye informasjon (kvantifisert ved makroskopisk entropi) som hva informasjonssamlingoperasjonen skal lagre.
Léon Brillouin reiser på samme måte et paradoks av samme orden, hvor demonen blir erstattet av et enkelt skrallehjul .
Ved et lignende argument finner vi en økning i entropi, og den andre loven om termodynamikk er godt respektert.
Det er imidlertid interessant å oppsummere argumentet. Respekten for det andre prinsippet om termodynamikk (omtrent umuligheten av å transformere varme til arbeid i løpet av en monoterm syklus) hviler på det faktum at den maksimale mengden informasjon som en observatør kan ha om et isolert system (som det er en del av) er nødvendigvis mindre enn mengden informasjon som er nødvendig for å fullt ut karakterisere den mikrofysiske tilstanden til systemet, mindre enn det som er utilgjengelig for det, forutsatt at hypotesen er lagt til at denne mengden informasjon er utilgjengelig for observatøren, nødvendigvis er større enn eller lik makroskopisk entropi av det isolerte systemet vurdert. Man kan lure på det fysiske prinsippkarakteren eller den teknologiske karakteren i motsetning til denne begrensningen.