РАСТКО ВУКОВИЋ: Топлота Максвеловог демона

0
132
rastko

Максвелов демон је мисаони експеримент шкотског физичара Џејмса Кларка Максвела из 1867. године о другом закону термодинамике: топлотна енергија (топлота) спонтано прелази са тела више на суседно тело ниже температуре. Никада обрнуто. То је било у веку открића молекула и сазнања да већа брзина њиховог кретања значи већу топлоту и температуру тела којег чине.

Елем, замишљамо демона као човечуљка који контролише преграду између два дела собе, две просторије са неком напредном, нама непознатом, физиком и технологијом. Он пропушта брзе и само брзе молекуле из прве собе у другу, а споре и само споре из друге у прву.

Ако су у почетном стању топлота и температура ваздуха у собама биле једнаке, прва соба постајала би верменом све хладнија, а друга све топлија. Дакле, демон би топлоту из хладније собе слао у топлију, упркос другом закону термодинамике. Топлотна разлика између соба могла би дати нови користан рад и демон би био кандидат за „перпетум мобиле“, за неограниченог произвођача енергије.

Термодинамику је основао француски војни физичар Сади Карно анализирајући 1824. године замишљену топлотну машину максималне ефикасности. Дошао је до закључка да произведени рад (енергија) не може бити већи од уложеног и да само у „идеалном“ случају њих два могу бити једнаки, а таквог нема у пракси. Мора бити да енергија цури кроз зидове посуде, приметио је.

Ове кружне термодинамичке процесе даље је посебно пажљиво анализирао немачки физичар и математичар Рудолф Клаузијус да би 1985. године објавио свој чувени рад о терији топлоте у којем је установио поменути други закон термодинамике, држећи за први да енергија може мењати своје облике, али не и укупну количину.

Занимљива је његова скраћеница, количник топлоте и температуре, коју је он назвао ентропијом (грч. окренутост ка унутра), до тада потпуно непознатом, а коју је обилно користио у формулама. Тој смени варијабли, ентропији, Клаузијус никада није дао неки физикални значај, али је приметио да њена вредност остаје константна у идеалном Карноовом кружном циклусу и да се повећава у реалном. Касније је ентропија називана количином нереда насталог титрањем молекула (Болцман, 1877), па и информацијом (Шенон, 1948).

Вратимо се Максвеловом демону. Ландеур је 1960. године уочио да термодинамички реверзибилни (повратни) процеси не повећавају ентропију, али по цену да информације о молекулама не смеју бити брисане. Бенет је даље показао (1982) да демон пре или касније мора остати без простора за складиштење информација и почети њено брисање које ће овај процес учинити иреверзибилним (неповратним) проузрокујући пораст ентропије. Доказао је да губитком информације кружни систем губи енергију, постаје неповратан и расте му ентропија!

Додатна, недавна израчунавања (Бенет, 1987 – Сагава, 2012) показала су да би демон произвео више ентропије бавећи се молекулама него што би је елиминисао раздвајајући их по собама. Другим речима, више енергије треба за оцењивање и селективно пропуштање молекула од оне која би се добила температурном разликом соба. Све ово значи да демон није могућ, да су Клаузијусови закони тачни и да је пред термодинамиком научна будућност.

Приметимо да повећање ентропије праћено губитком енергије сада можемо свести на принцип (минимализма) информације: природа шкртари са информацијом. Топлота спонтано одлази од тела више ка телу ниже температуре, јер се на тај начин смањује емисија информације. Једноликим распоређивањем молекуле собе постижу унутрашњи ред на уштрб губитка вањске комуникације који опажамо као неред, а то је такав процес против којег нема лека.

Да се повећањем ентропије умањује емисија информације видимо на следеће начине. Број комбинација једноликог распоређивања молекула много је већи од начина њиховог нагомилавања, па у случају да су сви распореди једнако вероватни, много су вероватније равномерне комбинације. То је објашњење које је истраживао Болцман. Из тежње тим више вероватним даље следи да природа тежи мање информативним стањима.

Друго, знамо да насумичним бирањем речи из речника добијамо текст у нереду, неинформативан, док би бројањем речи неког разговора нашли статистички значајно различите фреквенције (број појављивања) појединих речи. Када би те речи слагали водоравно (дуж апсцисе) по опадајућој висини фреквенције, у првом случају (безличног текста) добили бисмо приближно хоризонталну линију висина, у другом случају (смисленог текста) имали бисмо опадајућу криву линију.

Слушајући и бројећи сигнале (рецимо звучне) које испуштају животиње (делфини), према облику поменуте криве, ако је она опадајућа, знали бисмо да они разговарају иако тада уопште не бисмо значи о чему. Слично је са једноликим распоредом молекула ваздуха у соби који нам је извана гледајући безличан, неинформативан. То је стање које се добија повећањем ентропије када кажемо да расте неред, игноришући пораст унутрашње уређености. Тада, заправо, расте унутрашњи ред, а смањује се вањска комуникација.

Потрага за извором енергије овде је поентирана начелом (минимализма)  информације, иначе универзалним за све физичке појаве. Оно тек треба да буде видљиво, па у савременој физици још увек различито третирамо информације (механичке, термодинамичке, електричне). Оно заједно са законима одржања указује на још дубље везе између енергије и информације.

Ту мислим на ширења теорије информације у области о којима сам овде већ писао, рецимо називајући пораст ентропије „феминизацијом“ желећи принцип (физичке) информације демонстрирати ван физике, али и на области и начине о којима ће тек бити речи.

ПОСТАВИ ОДГОВОР

Унесите коментар
Унесите име