Wie Maxwells Dämon weiterhin Wissenschaftler erschreckt – Fakten, die so romantisch sind

Nachdruck mit freundlicher Genehmigung von Quanta Der Abstractions-Blog des Magazins.

T.Das Universum setzt auf Unordnung. Stellen Sie sich zum Beispiel vor, Sie werfen einen Fingerhut roten Farbstoffs in ein Schwimmbad. Alle diese Farbstoffmoleküle werden sich langsam im Wasser ausbreiten.

Physiker quantifizieren diese Ausbreitungstendenz, indem sie die Anzahl der möglichen Anordnungsmöglichkeiten der Farbstoffmoleküle zählen. Es gibt einen möglichen Zustand, in dem die Moleküle in den Fingerhut gedrängt werden. Es gibt noch eine andere Stelle, an der sich die Moleküle beispielsweise in einem ordentlichen Klumpen am Boden des Pools niederlassen. Aber es gibt unzählige Milliarden von Permutationen, bei denen sich die Moleküle auf unterschiedliche Weise im Wasser ausbreiten. Wenn das Universum zufällig aus allen möglichen Zuständen auswählt, können Sie darauf wetten, dass es eine der zahlreichen ungeordneten Möglichkeiten bietet.

So gesehen nimmt der unaufhaltsame Anstieg der Entropie oder Störung, wie er durch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik quantifiziert wird, eine fast mathematische Gewissheit an. Natürlich versuchen Physiker ständig, es zu brechen.

Man hätte es fast getan. Ein Gedankenexperiment des schottischen Physikers James Clerk Maxwell aus dem Jahr 1867 hat Wissenschaftler 115 Jahre lang verblüfft. Und selbst nachdem eine Lösung gefunden wurde, haben Physiker weiterhin „Maxwells Dämon“ verwendet, um die Gesetze des Universums an ihre Grenzen zu bringen.

In dem Gedankenexperiment stellte sich Maxwell vor, einen mit Gas gefüllten Raum in zwei Abteile aufzuteilen, indem er eine Wand mit einer kleinen Tür errichtete. Wie alle Gase besteht auch dieses aus einzelnen Partikeln. Die durchschnittliche Geschwindigkeit der Partikel entspricht der Temperatur des Gases – schneller ist heißer. Zu jedem Zeitpunkt bewegen sich einige Partikel jedoch langsamer als andere.

Was wäre, wenn, schlug Maxwell vor, eine winzige imaginäre Kreatur – ein Dämon, wie er später genannt wurde – an der Tür saß. Jedes Mal, wenn sich ein sich schnell bewegendes Teilchen von links näherte, öffnete es die Tür und ließ sie in das rechte Fach. Und jedes Mal, wenn sich ein sich langsam bewegendes Teilchen von rechts näherte, ließ der Dämon es in das linke Fach.

Nach einer Weile würde das linke Fach voller langsamer, kalter Partikel sein und das rechte Fach würde heiß werden. Dieses isolierte System scheint geordneter und nicht weniger zu wachsen, da zwei unterscheidbare Kompartimente mehr Ordnung haben als zwei identische Kompartimente. Maxwell hatte ein System geschaffen, das dem Aufstieg der Entropie und damit den Gesetzen des Universums zu trotzen schien.

“Er versuchte, ein System zu beweisen, bei dem die Entropie abnehmen würde”, sagte Laia Delgado Callico, Physikerin am King’s College London. “Es ist ein Paradoxon.”

Zwei Fortschritte wären entscheidend für die Lösung von Maxwells Dämon. Der erste war der amerikanische Mathematiker Claude Shannon, der als Begründer der Informationstheorie gilt. Im Jahr 1948 zeigte Shannon, dass der Informationsgehalt einer Nachricht mit der sogenannten Informationsentropie quantifiziert werden konnte. “Im 19. Jahrhundert wusste niemand etwas über Informationen”, sagte Takahiro Sagawa, Physiker an der Universität von Tokio. “Das moderne Verständnis von Maxwells Dämon wurde durch Shannons Arbeit begründet.”

Das zweite wichtige Puzzleteil war das Prinzip der Löschung. Der deutsch-amerikanische Physiker Rolf Landauer zeigte 1961, dass jede logisch irreversible Berechnung, wie das Löschen von Informationen aus einem Speicher, zu einem minimalen Arbeitsaufwand ungleich Null führen würde, der in Wärme umgewandelt wird, die in die Umwelt abgegeben wird, und zu einem entsprechenden Anstieg der Entropie. Landauers Löschprinzip stellte eine verlockende Verbindung zwischen Information und Thermodynamik her. “Information ist physisch”, proklamierte er später.

1982 setzte der amerikanische Physiker Charles Bennett die Puzzleteile zusammen. Er erkannte, dass Maxwells Dämon im Kern eine Informationsverarbeitungsmaschine war: Sie musste Informationen über einzelne Partikel aufzeichnen und speichern, um zu entscheiden, wann die Tür geöffnet und geschlossen werden sollte. In regelmäßigen Abständen müssten diese Informationen gelöscht werden. Nach dem Landauer-Löschprinzip würde der Anstieg der Entropie durch die Löschung die durch die Sortierung der Partikel verursachte Abnahme der Entropie mehr als kompensieren. “Sie müssen bezahlen”, sagte Gonzalo Manzano, Physiker am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation in Wien. Das Bedürfnis des Dämons, Platz für mehr Informationen zu schaffen, führte unaufhaltsam zu einer Nettozunahme der Unordnung.

Dann, im 21. Jahrhundert, als das Gedankenexperiment gelöst war, begannen die wirklichen Experimente. “Die wichtigste Entwicklung ist, dass wir Maxwells Dämon jetzt in Laboratorien realisieren können”, sagte Sagawa.

2007 verwendeten Wissenschaftler ein lichtbetriebenes Tor, um die Idee von Maxwells Dämon in Aktion zu demonstrieren. 2010 entwickelte ein anderes Team einen Weg, die Energie, die durch die Informationen des Dämons erzeugt wird, zu nutzen, um eine Perle bergauf zu locken. und 2016 wendeten Wissenschaftler die Idee von Maxwells Dämon auf zwei Kompartimente an, die nicht Gas, sondern Licht enthielten.

“Wir haben die Rollen von Materie und Licht gewechselt”, sagte Vlatko Vedral, Physiker an der Universität Oxford und einer der Mitautoren der Studie. Die Forscher konnten letztendlich eine sehr kleine Batterie aufladen.

Andere fragten sich, ob es weniger anspruchsvolle Möglichkeiten geben könnte, Informationen zu verwenden, um nützliche Arbeit aus einem ähnlichen System zu extrahieren. Und Forschung im Februar 2021 in veröffentlicht Briefe zur körperlichen Überprüfung scheint einen Weg gefunden zu haben, dies zu tun. Die Arbeit macht den Dämon zu einem Spieler.

Das Team unter der Leitung von Manzano fragte sich, ob es eine Möglichkeit gab, etwas wie Maxwells Dämon zu implementieren, jedoch ohne die Informationsanforderungen. Sie stellten sich nach wie vor ein Zweikammer-System mit einer Tür vor. In diesem Fall würde sich die Tür von selbst öffnen und schließen. Manchmal trennten sich Partikel zufällig in heißere und kältere Kompartimente. Der Dämon konnte diesen Vorgang nur beobachten und entscheiden, wann das System ausgeschaltet werden soll. Theoretisch könnte dieser Prozess ein kleines Temperaturungleichgewicht und damit eine nützliche Wärmekraftmaschine erzeugen, wenn der Dämon klug war, wann er das Experiment beenden und ein Temperaturungleichgewicht an Ort und Stelle halten sollte, so wie ein kluger Spieler in einem heißen Streifen weiß, wann er gehen muss Die Tabelle. “Sie können entweder die ganze Nacht am Roulette-Tisch spielen oder aufhören, wenn Sie 100 Dollar gewinnen”, sagte Édgar Roldán, Physiker am Internationalen Zentrum für Theoretische Physik in Italien, der Mitautor der Studie war. „Wir sagen, wir brauchen kein so kompliziertes Gerät wie Maxwells Dämon, um die Arbeit im zweiten Gesetz zu extrahieren. Wir können entspannter sein. “ Die Forscher implementierten dann einen solchen Glücksspieldämon in ein nanoelektronisches Gerät, um zu zeigen, dass dies möglich war.

Ideen wie diese könnten sich beim Entwurf effizienterer thermischer Systeme wie Kühlschränke oder sogar bei der Entwicklung fortschrittlicherer Computerchips als nützlich erweisen, die sich möglicherweise einer grundlegenden Grenze nähern, die durch das Landauer-Prinzip vorgegeben ist.

Vorläufig sind unsere Gesetze des Universums jedoch sicher, selbst wenn sie der größten Prüfung unterzogen werden. Was sich geändert hat, ist unser Verständnis von Informationen im Universum und damit unsere Wertschätzung von Maxwells Dämon, zunächst ein problematisches Paradoxon und jetzt ein unschätzbares Konzept – eines, das dazu beigetragen hat, die bemerkenswerte Verbindung zwischen der physischen Welt und Informationen zu beleuchten.

Jonathan O’Callaghan ist ein freiberuflicher Raumfahrt- und Wissenschaftsjournalist mit Sitz in London. Er schreibt regelmäßig für eine Reihe von Publikationen, darunter Die New York Times, Wissenschaftlicher Amerikaner, Neuer Wissenschaftler, Forbes, und Verdrahtet. Sie können mehr von seiner Arbeit lesen oder Kontakt unter aufnehmen jonathanocallaghan.comoder finde ihn auf Twitter Astro_Jonny.