Le démon de Maxwell - Maxwell's demon

Figure schématique de l'expérience de pensée démoniaque de Maxwell

Le démon de Maxwell est une expérience de pensée qui violerait hypothétiquement la deuxième loi de la thermodynamique . Il a été proposé par le physicien James Clerk Maxwell en 1867.

Dans l'expérience de pensée, un démon contrôle une petite porte sans masse entre deux chambres à gaz. Au fur et à mesure que des molécules de gaz individuelles (ou atomes) s'approchent de la porte, le démon ouvre et ferme rapidement la porte pour ne laisser passer que les molécules rapides dans une direction et seules les molécules lentes dans l'autre. Parce que la température cinétique d'un gaz dépend de la vitesse de ses molécules constitutives, les actions du démon provoquent le réchauffement d'une chambre et le refroidissement de l'autre. Cela diminuerait l' entropie totale des deux gaz, sans appliquer aucun travail , violant ainsi la deuxième loi de la thermodynamique.

Le concept du démon de Maxwell a provoqué un débat substantiel dans la philosophie des sciences et la physique théorique , qui se poursuit jusqu'à nos jours. Il a stimulé les travaux sur la relation entre la thermodynamique et la théorie de l' information . La plupart des scientifiques soutiennent, pour des raisons théoriques, qu'aucun dispositif pratique ne peut violer la deuxième loi de cette manière. D'autres chercheurs ont mis en œuvre des formes du démon de Maxwell dans des expériences, bien qu'elles diffèrent toutes de l'expérience de pensée dans une certaine mesure et qu'aucune n'ait violé la deuxième loi.

Origine et histoire de l'idée

L' expérience de pensée est apparue pour la première fois dans une lettre que Maxwell a écrite à Peter Guthrie Tait le 11 décembre 1867. Elle est apparue à nouveau dans une lettre à John William Strutt en 1871, avant d'être présentée au public dans le livre de Maxwell sur la thermodynamique de 1872 intitulé Theory of Heat .

Dans ses lettres et ses livres, Maxwell a décrit l'agent ouvrant la porte entre les chambres comme un « être fini ». William Thomson (Lord Kelvin) a été le premier à utiliser le mot "démon" pour le concept de Maxwell, dans la revue Nature en 1874, et a laissé entendre qu'il entendait l' interprétation de la mythologie grecque d'un démon , un être surnaturel travaillant en arrière-plan, plutôt que un être malveillant.

Expérience de pensée originale

La deuxième loi de la thermodynamique assure (par probabilité statistique) que deux corps de température différente , lorsqu'ils sont mis en contact l'un avec l'autre et isolés du reste de l'Univers, évolueront vers un équilibre thermodynamique dans lequel les deux corps ont approximativement la même température. La deuxième loi est également exprimée comme l'affirmation que dans un système isolé , l' entropie ne diminue jamais.

Maxwell a conçu une expérience de pensée comme un moyen d'approfondir la compréhension de la deuxième loi. Sa description de l'expérience est la suivante :

... si nous concevons un être dont les facultés sont si aiguisées qu'il peut suivre chaque molécule dans son cours, un tel être, dont les attributs sont aussi essentiellement finis que les nôtres, serait capable de faire ce qui nous est impossible. Car nous avons vu que les molécules dans un récipient plein d'air à température uniforme se déplacent avec des vitesses nullement uniformes, bien que la vitesse moyenne d'un grand nombre d'entre elles, arbitrairement choisies, soit presque exactement uniforme. Supposons maintenant qu'un tel récipient soit divisé en deux parties, A et B , par une division dans laquelle il y a un petit trou, et qu'un être, qui peut voir les molécules individuelles, ouvre et ferme ce trou, de manière à permettre uniquement aux molécules les plus rapides de passer de A à B , et seules les molécules les plus lentes à passer de B à A . Il va ainsi, sans dépense de travail, élever la température de B et abaisser celle de A , en contradiction avec la seconde loi de la thermodynamique.

En d'autres termes, Maxwell imagine un conteneur divisé en deux parties, A et B . Les deux parties sont remplies du même gaz à des températures égales et placées l'une à côté de l'autre. Observant les molécules des deux côtés, un démon imaginaire garde une trappe entre les deux parties. Lorsqu'une molécule de A plus rapide que la moyenne vole vers la trappe, le démon l'ouvre et la molécule volera de A à B . De même, lorsqu'une molécule de B plus lente que la moyenne vole vers la trappe, le démon la laissera passer de B à A . La vitesse moyenne des molécules en B aura augmenté alors qu'en A elles auront ralenti en moyenne. Puisque la vitesse moléculaire moyenne correspond à la température, la température diminue en A et augmente en B , contrairement à la deuxième loi de la thermodynamique. Un moteur thermique fonctionnant entre les réservoirs thermiques A et B pourrait extraire un travail utile de cette différence de température.

Le démon doit laisser passer les molécules dans les deux sens pour ne produire qu'une différence de température ; le passage à sens unique de molécules plus rapides que la moyenne de A à B entraînera le développement d'une température et d'une pression plus élevées du côté B.

Critique et développement

Plusieurs physiciens ont présenté des calculs qui montrent que la deuxième loi de la thermodynamique ne sera pas réellement violée, si une analyse plus complète est faite de l'ensemble du système, y compris le démon. L'essence de l'argument physique est de montrer, par calcul, que tout démon doit "générer" plus d'entropie en ségrégeant les molécules qu'il ne pourrait jamais en éliminer par la méthode décrite. C'est-à-dire qu'il faudrait plus de travail thermodynamique pour évaluer la vitesse des molécules et leur permettre sélectivement de traverser l'ouverture entre A et B que la quantité d' énergie gagnée par la différence de température provoquée en le faisant.

L'une des réponses les plus célèbres à cette question a été suggérée en 1929 par Leó Szilárd , et plus tard par Léon Brillouin . Szilárd a souligné qu'un démon de Maxwell dans la vie réelle aurait besoin d'un moyen de mesurer la vitesse moléculaire et que l'acte d'acquérir des informations nécessiterait une dépense d'énergie. Puisque le démon et le gaz interagissent, nous devons considérer l'entropie totale du gaz et du démon combinés. La dépense d'énergie par le démon provoquera une augmentation de l'entropie du démon, qui sera plus importante que l'abaissement de l'entropie du gaz.

En 1960, Rolf Landauer a soulevé une exception à cet argument. Il s'est rendu compte que certains processus de mesure n'avaient pas besoin d'augmenter l'entropie thermodynamique tant qu'ils étaient thermodynamiquement réversibles . Il a suggéré que ces mesures "réversibles" pourraient être utilisées pour trier les molécules, en violation de la deuxième loi. Cependant, en raison du lien entre l'entropie thermodynamique et l'entropie de l' information , cela signifiait également que la mesure enregistrée ne devait pas être effacée. En d'autres termes, pour déterminer s'il doit laisser passer une molécule, le démon doit acquérir des informations sur l'état de la molécule et la jeter ou la stocker. Le rejeter conduit à une augmentation immédiate de l'entropie, mais le démon ne peut pas le stocker indéfiniment. En 1982, Charles Bennett montra que, même bien préparé, le démon finira par manquer d'espace de stockage d'informations et devra commencer à effacer les informations qu'il a précédemment recueillies. L'effacement d'informations est un processus thermodynamiquement irréversible qui augmente l'entropie d'un système. Bien que Bennett soit parvenu à la même conclusion que l'article de Szilard de 1929, qu'un démon maxwellien ne pouvait pas violer la deuxième loi parce que l'entropie serait créée, il y était parvenu pour différentes raisons. Concernant le principe de Landauer , l'énergie minimale dissipée par suppression d'informations a été mesurée expérimentalement par Eric Lutz et al. en 2012. De plus, Lutz et al. a confirmé que pour s'approcher de la limite de Landauer, le système doit asymptotiquement approcher une vitesse de traitement nulle.

John Earman et John D. Norton ont soutenu que les explications de Szilárd et Landauer sur le démon de Maxwell commencent par supposer que la deuxième loi de la thermodynamique ne peut pas être violée par le démon, et dérivent d'autres propriétés du démon de cette hypothèse, y compris la nécessité de consommer de l'énergie. lors de l'effacement d'informations, etc. Il serait donc circulaire d'invoquer ces propriétés dérivées pour défendre la seconde loi de l'argument démoniaque. Bennett a reconnu plus tard la validité de l'argument d'Earman et Norton, tout en maintenant que le principe de Landauer explique le mécanisme par lequel les systèmes réels ne violent pas la deuxième loi de la thermodynamique.

Progrès récents

Bien que l'argument de Landauer et Bennett ne réponde qu'à la cohérence entre la deuxième loi de la thermodynamique et l'ensemble du processus cyclique de l'ensemble du système d'un moteur Szilard (un système composite du moteur et du démon), une approche récente basée sur la non- la thermodynamique d'équilibre pour les petits systèmes fluctuants a fourni un aperçu plus approfondi de chaque processus d'information avec chaque sous-système. De ce point de vue, le processus de mesure est considéré comme un processus où la corrélation ( information mutuelle ) entre le moteur et le démon augmente, et le processus de rétroaction est considéré comme un processus où la corrélation diminue. Si la corrélation change, les relations thermodynamiques en tant que deuxième loi de la thermodynamique et le théorème de fluctuation pour chaque sous-système doivent être modifiés, et pour le cas du contrôle externe, une deuxième loi comme l'inégalité et un théorème de fluctuation généralisé avec information mutuelle sont satisfaits. Ces relations suggèrent que nous avons besoin d'un surcoût thermodynamique pour augmenter la corrélation (cas de la mesure), et en revanche nous pouvons apparemment violer la deuxième loi jusqu'à la consommation de corrélation (cas du feedback). Pour les processus d'information plus généraux, y compris le traitement de l'information biologique, à la fois l'inégalité et l'égalité avec l'information mutuelle sont valables.

Applications

Des versions réelles de démons maxwelliens existent, mais tous ces « vrais démons » ou démons moléculaires ont leurs effets de réduction d'entropie dûment équilibrés par une augmentation de l'entropie ailleurs. Les mécanismes de taille moléculaire ne se trouvent plus seulement en biologie ; ils font également l'objet du domaine émergent des nanotechnologies . Les pièges à un seul atome utilisés par les physiciens des particules permettent à un expérimentateur de contrôler l'état de quanta individuels d'une manière similaire au démon de Maxwell.

S'il existe une hypothétique matière miroir , Zurab Silagadze propose d'envisager des démons, « qui peuvent agir comme des mobiles perpétuels de seconde espèce : extraire l'énergie thermique d'un seul réservoir, l'utiliser pour travailler et s'isoler du reste du monde ordinaire. Pourtant, la Deuxième Loi n'est pas violée parce que les démons paient leur coût d'entropie dans le secteur caché (miroir) du monde en émettant des photons miroirs."

Travail expérimental

Dans le numéro de février 2007 de Nature , David Leigh , professeur à l' université d'Édimbourg , a annoncé la création d'un nano-dispositif basé sur le cliquet brownien popularisé par Richard Feynman . Le dispositif de Leigh est capable de conduire un système chimique de l' équilibre , mais il doit être alimenté par une source externe ( lumière dans ce cas) et ne viole donc pas la thermodynamique.

Auparavant, des chercheurs, dont le lauréat du prix Nobel Fraser Stoddart , ont créé des molécules en forme d'anneau appelées rotaxanes qui pourraient être placées sur un axe reliant deux sites, A et B . Les particules de l'un ou l'autre site heurteraient l'anneau et le déplaceraient d'un bout à l'autre. Si une grande collection de ces appareils était placée dans un système, la moitié des appareils avaient l'anneau au site A et l'autre moitié au site B , à un moment donné.

Leigh a apporté une modification mineure à l'axe de sorte que si une lumière est allumée sur l'appareil, le centre de l'axe s'épaissit, limitant le mouvement de l'anneau. Il n'empêche cependant l'anneau de bouger que s'il est en A . Au fil du temps, donc, les anneaux vont être bousculés de B à A et s'y coincer, créant un déséquilibre dans le système. Dans ses expériences, Leigh a pu faire passer un pot de "milliards de ces appareils" d'un équilibre 50:50 à un déséquilibre 70:30 en quelques minutes.

En 2009, Mark G. Raizen a développé une technique de refroidissement atomique laser qui réalise le processus envisagé par Maxwell de trier les atomes individuels d'un gaz dans différents conteneurs en fonction de leur énergie. Le nouveau concept est un mur à sens unique pour les atomes ou les molécules qui leur permet de se déplacer dans une direction, mais pas de revenir en arrière. Le fonctionnement de la paroi unidirectionnelle repose sur un processus atomique et moléculaire irréversible d'absorption d'un photon à une longueur d'onde spécifique, suivi d'une émission spontanée vers un état interne différent. Le processus irréversible est couplé à une force conservatrice créée par les champs magnétiques et/ou la lumière. Raizen et ses collaborateurs ont proposé d'utiliser la paroi unidirectionnelle afin de réduire l'entropie d'un ensemble d'atomes. En parallèle, Gonzalo Muga et Andreas Ruschhaupt ont développé indépendamment un concept similaire. Leur "diode atomique" n'était pas proposée pour le refroidissement, mais plutôt pour réguler le flux d'atomes. Le groupe Raizen a démontré un refroidissement significatif des atomes avec la paroi unidirectionnelle dans une série d'expériences en 2008. Par la suite, le fonctionnement d'une paroi unidirectionnelle pour les atomes a été démontré par Daniel Steck et ses collaborateurs plus tard en 2008. Leur expérience était basée sur le schéma de 2005 pour le mur à sens unique, et n'a pas été utilisé pour le refroidissement. La méthode de refroidissement réalisée par le Groupe Raizen a été appelée "refroidissement à photon unique", car un seul photon en moyenne est nécessaire pour amener un atome au quasi-repos. Ceci contraste avec d'autres techniques de refroidissement laser qui utilisent la quantité de mouvement du photon et nécessitent une transition cyclique à deux niveaux.

En 2006, Raizen, Muga et Ruschhaupt ont montré dans un article théorique qu'à mesure que chaque atome traverse le mur à sens unique, il diffuse un photon et des informations sont fournies sur le tournant et donc l'énergie de cette particule. L'augmentation d'entropie du champ de rayonnement diffusé d'un laser directionnel dans une direction aléatoire est exactement équilibrée par la réduction d'entropie des atomes car ils sont piégés par la paroi unidirectionnelle.

Cette technique est largement décrite comme un "démon de Maxwell" car elle réalise le processus de Maxwell consistant à créer une différence de température en triant des atomes de haute et basse énergie dans différents conteneurs. Cependant, les scientifiques ont souligné qu'il ne s'agit pas d'un vrai démon de Maxwell dans le sens où il ne viole pas la deuxième loi de la thermodynamique ; il n'entraîne pas de diminution nette de l'entropie et ne peut pas être utilisé pour produire de l'énergie utile. En effet, le processus nécessite plus d'énergie des faisceaux laser que ne pourrait en produire la différence de température générée. Les atomes absorbent les photons à faible entropie du faisceau laser et les émettent dans une direction aléatoire, augmentant ainsi l'entropie de l'environnement.

En 2014, Pekola et al. a démontré une réalisation expérimentale d'un moteur Szilárd. Seulement un an plus tard et sur la base d'une proposition théorique antérieure, le même groupe a présenté la première réalisation expérimentale d'un démon de Maxwell autonome, qui extrait des informations microscopiques d'un système et réduit son entropie en appliquant une rétroaction. Le démon est basé sur deux dispositifs à un seul électron couplés capacitivement, tous deux intégrés sur le même circuit électronique. Le fonctionnement du démon est directement observé comme une chute de température dans le système, avec une élévation de température simultanée dans le démon résultant du coût thermodynamique de génération de l'information mutuelle. En 2016, Pekola et al. a démontré une preuve de principe d'un démon autonome dans des circuits monoélectroniques couplés, montrant un moyen de refroidir des éléments critiques dans un circuit avec des informations comme combustible. Pekola et al. ont également proposé qu'un simple circuit qubit, par exemple constitué d'un circuit supraconducteur, pourrait fournir une base pour étudier un moteur de Szilard quantique.

Comme métaphore

Les démons en informatique , généralement des processus qui s'exécutent sur des serveurs pour répondre aux utilisateurs, portent le nom du démon de Maxwell.

L'historien Henry Brooks Adams dans son manuscrit La règle de phase appliquée à l'histoire a tenté d'utiliser le démon de Maxwell comme métaphore historique , bien qu'il ait mal compris et mal appliqué le principe original. Adams a interprété l' histoire comme un processus allant vers « l'équilibre », mais il a vu les nations militaristes (il sentait l' Allemagne prééminente dans cette classe) comme tendant à inverser ce processus, un démon de l'histoire de Maxwell. Adams a fait de nombreuses tentatives pour répondre aux critiques de sa formulation de la part de ses collègues scientifiques, mais le travail est resté incomplet à la mort d'Adams en 1918. Il n'a été publié qu'à titre posthume.

Voir également

Remarques

Les références

  • Cater, HD, éd. (1947). Henry Adams et ses amis . Boston.
  • Daub, EE (1967). "Atomisme et Thermodynamique". Isis . 58 (3) : 293-303. doi : 10.1086/350264 . S2CID  143459461 .
  • Leff, Harvey S. & Andrew F. Rex, éd. (1990). Démon de Maxwell : Entropie, Information, Informatique . Bristol : Adam-Hilger. ISBN 978-0-7503-0057-5.
  • Leff, Harvey S. & Andrew F. Rex, éd. (2002). Démon de Maxwell 2 : Entropie, informations classiques et quantiques, informatique . CRC Appuyez sur . ISBN 978-0-7503-0759-8.
  • Adams, H. (1919). La dégradation du dogme démocratique . New-York : Kessinger. ISBN 978-1-4179-1598-9.

Liens externes