Cómo tratar las enfermedades en las tortugas marinas. Enfermedades de las tortugas, su prevención y tratamiento.

Esta paradoja se resolvió hace mucho tiempo. En 1929, Leo Szilard, profesor asistente privado en la Universidad de Berlín (más tarde uno de los participantes más destacados en el Proyecto Manhattan), demostró que incluso un demonio que funciona idealmente aumenta su propia entropía cada vez que recibe información sobre el movimiento de un molécula. La entropía de todo el sistema permanece sin cambios, porque el demonio y el gas forman un todo único. El destino a veces viaja de maneras extrañas. En sus últimos años, Leo Szilard tuvo la oportunidad de ser tratado por el cardiólogo estadounidense Alvin Reisen. Él tuvo hijo pequeño Mark, quien, cuando creció, se convirtió en físico y profesor. Universidad de Texas en austin. EN últimos añosél y sus colegas desarrollaron Nuevo método enfriamiento ultraprofundo de gases, que utiliza un dispositivo láser... similar en sus acciones al demonio de Maxwell.

método de salida

Durante décadas, los físicos han estado llevando el gas a temperaturas de microkelvin utilizando la absorción Doppler de radiación láser. Sin embargo, el profesor Reisen explicó a Popular Mechanics por qué este método no le conviene: “Es bueno, pero demasiado exigente. De esta manera sólo se pueden enfriar sustancias individuales, principalmente vapores de metales alcalinos. Nuestro método es mucho más universal. Es aplicable a cualquier gas cuyos átomos o moléculas puedan existir en dos estados cuánticos metaestables de larga duración. Hay muchas sustancias que cumplen este requisito”.

Un demonio clásico custodiando la puerta en la partición de un recipiente (izquierda) y un diagrama de un sistema de tres niveles en el experimento de Reisen (derecha). Átomos en una trampa de gravedad magnética mediante bombeo óptico mediante un láser en en este caso este es el demonio) son transferidos del estado B al estado A a través de un estado intermedio).

El método desarrollado por el grupo de Reisen implica primero enfriar el gas a unos pocos mikelvins usando uno de los confiables formas tradicionales y encerrado en una trampa magnética a la que se dirigen dos láseres. El rayo de un láser cruza la cavidad de la trampa en el medio, mientras que el otro ilumina solo la mitad, por ejemplo la derecha.

"Para ser más precisos, asumiremos que el gas es atómico", dice el profesor Reisen. - Llamemos azul a uno de los posibles estados de sus átomos y rojo al otro. Ajustemos el láser central para que su radiación repele los átomos que están en estado rojo. El segundo láser convierte los átomos de un estado azul a un estado rojo. Supongamos que inicialmente todos los átomos son azules. Llenemos la trampa con ellos y encendamos el láser central. Como no hay átomos rojos, la radiación y el gas no interactúan de ninguna manera. Ahora apliquemos corriente al láser lateral. Cada átomo que encuentre un fotón emitido por él pasará de un estado azul a un estado rojo. Si dicho átomo "recoloreado" se acerca al plano central de la trampa, el rayo del primer láser lo arrojará hacia atrás. Como resultado, los átomos rojos se acumularán en la zona derecha y la izquierda quedará vacía. Entonces nuestro par de láseres funciona de manera similar al demonio de Maxwell. Al mismo tiempo, la temperatura del gas no cambia, pero su presión aumenta naturalmente”.

Los átomos tienen su propia frecuencia de vibración, y si entras en resonancia, es decir, lo irradias con fotones de la frecuencia correspondiente, el átomo lo absorberá. Si la frecuencia de los fotones es ligeramente menor, serán absorbidos solo por los átomos que se mueven hacia ellos (debido a un cambio en la frecuencia de resonancia debido al efecto Doppler). Cuando se absorbe, el fotón transferirá impulso al átomo, reduciendo su velocidad y así "enfriándolo" (el átomo emite fotones, pero la dirección de la radiación es espontánea, por lo que en general no afecta el impulso del átomo). De esta manera, los átomos pueden enfriarse a temperaturas del orden de decenas de mikelvins. Mejora adicional de este método, por cuyo desarrollo fueron premiados los físicos Steven Chu, William Phillips y Claude Cohen-Tannoudji. premio Nobel, proporciona enfriamiento mediante varios rayos láser en un campo magnético no uniforme, lo que permite alcanzar temperaturas de cientos de microkelvins. La versión más avanzada de esta técnica, que permite alcanzar decenas e incluso unidades de microkelvin, la llamada. Enfriamiento de Sísifo de los átomos en rayos láser que, debido a la polarización, crean una serie de ondas estacionarias, al pasar a través de las cuales los átomos pierden energía, como si subieran "cuesta arriba" (de ahí el nombre).

Gas frío, radiación caliente.

Sin embargo, ¿dónde está el efecto refrescante? “Ahora”, continúa su explicación el profesor Reisen, “manipularemos el láser central de tal manera que el gas llene lentamente toda la cavidad de la trampa. Con esta expansión, el gas se enfría. En realidad, eso es todo: se ha logrado el objetivo. Esta teoría ya fue probada experimentalmente hace tres años. Luego realizamos el primer experimento: enfriamos el vapor de rubidio mil veces (de mikelvins a microkelvins). A esta técnica la llamamos enfriamiento de fotón único porque el átomo solo necesita dispersar un fotón para realizar la transición entre estados. Pero el método Doppler enfría el gas deteniendo los átomos, lo que requiere muchos fotones”.

¿Qué pasa con la entropía? “Ella está bien”, nos aseguró el profesor Reisen. - Cuando el gas se acumula en la zona correcta, su entropía naturalmente disminuirá. Sin embargo, recordemos que los cuantos de radiación láser, cuando se encuentran con los átomos, se dispersan caóticamente en todas direcciones. Al mismo tiempo, aumenta la entropía de la radiación y este aumento compensa completamente la disminución de la entropía del gas. De modo que el demonio láser funciona en total conformidad con la teoría de Szilard. Por supuesto, el propio Maxwell y varias generaciones de físicos no creían en la viabilidad real de una manipulación tan sutil de las partículas de gas. Incluso hace veinte años habría considerado esto pura fantasía. Pero la ciencia a menudo logra objetivos aparentemente imposibles, y este es precisamente un caso así. Creo que a Maxwell le gustaría nuestro desarrollo”.

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✪ El demonio de Maxwell

✪ El demonio de Maxwell

✪ Espectáculo científico. Número 58. Dos demonios de la física teórica

✪ Espectáculo científico. Número 50. Visualización en física.

✪ Espectáculo científico. Número 63. Avances en la teoría del Big Bang

Subtítulos

Según la segunda ley de la termodinámica, la entropía del Universo aumenta constantemente. En consecuencia, cuando ocurre cualquier proceso en el Universo, la entropía siempre será mayor o igual a 0. Y en el video anterior descubrimos que esto puede tener muchas consecuencias diferentes. Independientemente de cómo entiendas la entropía, multiplicada por un número constante logaritmo natural el número de estados que puede asumir su sistema, o cuánto calor hay en un sistema dividido por la temperatura a la que se agrega; ambas descripciones, cuando se combinan con la segunda ley de la termodinámica, nos dicen: cuándo será el próximo cuerpo caliente a uno frío - digamos... Dibujemos. Este es T1 y este es T2; luego el calor se transferirá de un cuerpo caliente a uno frío. Mostramos esto en el último video usando cálculos matemáticos. El calor se transferirá en esta dirección. Una de las personas que comentó el video anterior escribió: “¿Podrías hablarme del demonio de Maxwell?” ¡Te diré! Porque se trata de un experimento mental muy interesante, que parece refutar el principio en cuestión y la segunda ley de la termodinámica. Y su nombre es muy interesante: "el demonio de Maxwell". Sin embargo, aparentemente, no fue Maxwell quien lo llamó “demonio”, sino Kelvin. Bueno, ya sabes, estos tipos estaban interesados ​​en todo. Entonces, el demonio de Maxwell. Este es el mismo Maxwell que da nombre a la famosa ecuación, por lo que estaba realmente interesado en muchas cosas. Entre otras cosas, fue el primero en crear una imagen en color. Y a mediados del siglo XIX. Entonces, aquí tenemos a un científico muy perspicaz. Pero ¿cuál es el demonio de Maxwell? Cuando decimos que algún cuerpo tiene mayor temperatura que otro, ¿a qué nos referimos? Queremos decir que la energía cinética promedio de las moléculas de este cuerpo que chocan aquí... que la energía cinética promedio de estas moléculas... es mayor que la energía cinética promedio de las moléculas aquí. Tenga en cuenta que dije energía cinética promedio. Y hablamos de esto más de una vez. La temperatura es un macroestado. Sabemos que a nivel micro, todas estas moléculas tienen diferentes velocidades. Chocan entre sí, transfiriéndose la inercia del movimiento entre sí. Éste puede avanzar muy rápidamente en esta dirección. Pero éste puede moverse bastante lentamente. Este puede moverse muy rápido así. Pero éste puede moverse bastante lentamente. Es todo bastante confuso. Pero podemos dibujar un gráfico de distribución. Si conoces los microestados de todo, puedes dibujar un pequeño histograma. Para T1 podemos decir... Digamos que usamos la escala Kelvin. Mira, aquí está mi temperatura promedio, pero también tengo un gráfico de distribución general de partículas. Es decir, este es el número de partículas. Y no construiré ninguna escala aquí. Tienes la idea básica. Entonces tengo muchas partículas que forman T1, pero también tengo ciertas partículas que pueden estar muy cerca del cero absoluto. Por supuesto, habrá pocos, pero aún así. Es decir, tienes un conjunto que probablemente sea T1 y un conjunto de partículas que podrían tener una energía cinética superior a T1. Energía cinética superior a la media. Quizás estemos hablando de este. Quizás esta sea la partícula que prácticamente no tiene energía cinética. Esto significa que tenemos una partícula casi completamente inmóvil, que se encuentra en un lugar. Aquí tenemos una gráfica general de distribución de partículas. De manera similar, en este sistema T2, en promedio, las moléculas tienen una energía cinética menor. Pero bien puede haber una partícula que tenga una energía cinética muy alta. Pero la mayoría de ellos tienen, en promedio, menos energía. Entonces, si trazamos la distribución de T2, nuestra energía cinética promedio será menor, pero la gráfica probablemente se verá así. No en realidad no. Probablemente se verá así. O tal vez así. Intentémoslo un poco diferente. Traigamos la línea aquí. Nuestro gráfico podría verse así. Entonces, observe: hay algunas moléculas en T1 que tienen menor energía que la energía cinética promedio de T2. Aquí están, estas moléculas. Estos son los tipos lentos. Y observe: hay algunas moléculas en T2 que tienen mayor energía que la energía cinética promedio de T1. Aquí están. Entonces, hay muchachos rápidos en T2, a pesar de que T2 es, digamos, "más frío" y tiene una energía cinética promedio más baja. Si miramos el microestado, vemos moléculas individuales que se mueven con bastante rapidez y moléculas individuales que se mueven con bastante lentitud. Entonces Maxwell dijo: "Oye, ¿y si lo hubiera hecho?" Por supuesto, no usó la palabra "demonio", pero la usaremos porque parece muy interesante y misteriosa, pero en realidad no lo es. Si tuviera a alguien, llamémosle demonio, ¿con un pequeño resquicio aquí? Déjame hacer un dibujo más preciso. Entonces, entre estos dos sistemas... digamos que están aislados. Digamos que están separados unos de otros. Aquí está T1 con muchas partículas que tienen diferentes energías cinéticas. Y aquí está la T2. Los separo y tal vez solo estén conectados aquí. T2. Estos tipos tienen energía cinética más lenta. Y Maxwell, realizando su pequeño experimento mental, dijo: "Imagínese que tengo a alguien a cargo de una laguna jurídica, digamos ésta, y él la controla". Y siempre, cuando una partícula muy rápida de T2, una de estas, se acerca a la laguna - vuela hacia ella - digamos, aquí está... Y esta partícula se mueve muy rápidamente. Tiene una energía cinética muy alta y es perfecto para nuestra laguna jurídica. Y luego el demonio dice: “Oye, veo esta cosa. Ella se dirige hacia mi agujero." El demonio abrirá su escotilla y permitirá que esta partícula entre en T1. Y cuando el demonio abra su trampilla, esta partícula continuará su movimiento y acabará en T1. El demonio vuelve a cerrar la escotilla: quiere que las partículas rápidas pasen de T2 a T1. Cuando ve una partícula lenta que viene hacia él, una de estas, vuelve a abrir su agujero y permite que la partícula entre. Es algo parecido a esto. Y si esto continúa, ¿cómo terminará todo? Bueno, eventualmente habrá una separación, y puede que lleve algún tiempo. Pero la separación afectará a todas las partículas lentas... Déjame dibujarlo. Nuestra frontera será marrón, porque ahora no está del todo claro dónde está todo... genial... Hablaremos de esto un poco más. Entonces aquí está la frontera. Pero hay un vacío legal en esto. ¿Qué pasará al final? Todas las partículas rápidas... algunas de ellas ya estaban en T1, ¿verdad? Algunas partículas rápidas que originalmente estaban en T1 seguirán estando de este lado de la barrera. Dibujemos esto: lo principal es no confundir nada. Así que ahora todas las partículas rápidas de T2 también quedarán atrapadas aquí. Porque eventualmente todos se acercarán a nuestro vacío legal si esperamos lo suficiente. Así, también aquí se acumularán muchas partículas que inicialmente estaban en T2. Entonces tendremos muchas partículas rápidas aquí. Asimismo, todas las partículas T2 lentas quedarán del otro lado. Aquí están, estas partículas lentas. Y el demonio dejará entrar todas las partículas T1 lentas; ya ni siquiera las llamaré partículas T1. Las llamaré partículas 1. Entonces, el demonio dejará entrar las partículas 1 aquí. Partículas lentas 1. Entonces, ¿qué pasó aquí? Éste era un cuerpo caliente, pero éste está frío. Según la segunda ley de la termodinámica, el calor debe moverse de aquí hacia aquí. En este caso, la temperatura debería ser aproximadamente igual. Es decir, un cuerpo caliente debería volverse más frío y un cuerpo frío debería volverse más caliente. La temperatura se volverá media. ¿Pero qué hizo nuestro pequeño demonio? Hizo que un cuerpo caliente fuera aún más caliente, ¿verdad? Ahora la energía cinética promedio aquí es aún mayor. El demonio movió todas estas partículas de alta energía cinética hacia aquí, así que ahora este gráfico se verá... Algo así como se vería si movieras todas estas partículas hacia aquí... El gráfico de distribución ahora se verá así... Probemos... Para T1 se verá así. En cuanto a T2... el demonio se llevó todos los calientes de aquí y los fríos de T1. En consecuencia, estos tipos desaparecerán. Ya no estarán aquí. Y los añadió a la T2. Entonces, el gráfico de distribución para T2 se verá así, lo borraremos, por supuesto. El demonio se llevó a estos tipos de la T2. Borrémoslo todo. Este era el antiguo cuadro de distribución de la T1. Entonces, el gráfico de distribución para T2 ahora se ve así. Y el nuevo promedio para T2 probablemente será algo como esto. Eso es mio nuevo sistema T2. Y mi nuevo sistema T1 se moverá un poco hacia la derecha. Promedio será mayor. Entonces, nuestro demonio aparentemente violó la segunda ley de la termodinámica. Terminemos con todo. Mis pequeños gráficos se superponen entre sí. Este ejemplo muestra que un cuerpo caliente se ha vuelto aún más caliente y un cuerpo frío se ha vuelto aún más frío. Entonces, Maxwell parece decirnos: “Sí, hemos violado la segunda ley de la termodinámica”. Y los científicos han estado desconcertados sobre esto durante muchos años. Incluso en el siglo XX, algunos continuaron preguntándose qué estaba mal. Pero esto es lo que está mal... Y te lo demostraré usando cálculos matemáticos... Esto es casi lo mismo que el ejemplo del refrigerador. Tenemos una especie de demonio que abre un pequeño resquicio cuando conviene. Aquí está, este es un demonio. Cuando las partículas rápidas se mueven desde aquí o las partículas lentas desde aquí... Para hacer esto correctamente, debe rastrear dónde estarán todas las partículas. Tendrá que rastrear todas las partículas. Y estas no son algunas macropartículas. Estas son micromoléculas o átomos. El demonio tendrá que tener en cuenta los electrones, que sólo se pueden ver con un microscopio especial. Y al mismo tiempo tendrá que rastrear esta innumerable cantidad de partículas. ¡Solo piensa en ello! Si no tiene superpoderes, debe tener la computadora más genial. Esta debe ser una computadora de una potencia increíble. Pero cualquier computadora genera mucho calor. Entonces, tener en cuenta varias moléculas para medir la velocidad de su movimiento también generará calor. Será un trabajo muy duro. Después de todo, ¡hay que medirlo todo! El demonio tendrá que trabajar duro. Entonces la respuesta es... Y no es tan fácil demostrarlo matemáticamente... ¿Qué pasaría si realmente quisieras crear tal demonio - y en mundo moderno Probablemente usarías algún tipo de computadora con varios sensores para hacer esto, y algunas personas han intentado hacer esto en cierto nivel... Entonces, esta computadora y todo su sistema crearán mucha entropía: este delta S. Creará más entropía que la que se pierde al enfriar el lado frío y calentar el lado caliente. Entonces el demonio de Maxwell y yo no hemos hecho nada definitivo. No lo he probado matemáticamente. Pero el demonio de Maxwell es un experimento mental muy interesante porque ofrece una visión ligeramente más amplia de la diferencia entre estados macro y micro. Y también sobre lo que sucede a nivel molecular en términos de temperatura, y cómo se puede hacer que un cuerpo frío sea aún más frío y un cuerpo caliente aún más caliente. Pero nuestra respuesta no es en absoluto paradójica. Cuando piensas en la entropía todo el sistema, debes incluir al propio demonio en su composición. Y si incluye al demonio mismo en el sistema, aumentará la entropía cada vez que abra su escapatoria: se requiere una cierta cantidad de energía para abrir la puerta. Pero al hacerlo, el demonio creará más entropía que la que podría perderse, por ejemplo, cuando una de estas partículas lentas cruza al otro lado de la barrera. De todos modos, sólo quería contárselo porque es un experimento mental realmente interesante. ¡Hasta el próximo vídeo!

La esencia de la paradoja.

En 2010, físicos de la Universidad de Chuo (japonesa) lograron realizar un experimento mental. 中央大学 ) y la Universidad de Tokio

En 2015, se implementó un demonio de Maxwell artificial autónomo en forma de un transistor de un solo electrón con cables de aluminio superconductores. Un dispositivo de este tipo le permite realizar una gran cantidad de operaciones de medición en un corto período de tiempo.

Explicación de la paradoja de Maxwell

La paradoja de Maxwell fue resuelta por primera vez por Leo Szilard en 1929 basándose en el siguiente análisis.

El demonio debe utilizar algún tipo de dispositivo de medición para estimar las velocidades de las moléculas, como una linterna. Por lo tanto, es necesario considerar la entropía de un sistema formado por gas en temperatura constante T 0 , (\displaystyle T_(0),) demonio y una linterna, incluyendo una batería cargada y una bombilla. La batería debe calentar el filamento de la lámpara de la linterna a una temperatura alta. T 1 > T 0 , (\displaystyle T_(1)>T_(0),) para obtener cuantos de luz con energía ℏ ω 1 > T 0 (\displaystyle \hbar \omega _(1)>T_(0)) para poder reconocer los cuantos de luz en el contexto de la radiación térmica con temperatura

En ausencia de un demonio, la energía mi (\ Displaystyle E), emitido por una bombilla a una temperatura T 1 (\displaystyle T_(1)) absorbido en gas a temperatura T 0 (\displaystyle T_(0)) y la entropía general aumenta: Δ S = E T 0 − E T 1 > 0 , (\displaystyle \Delta S=(\frac (E)(T_(0)))-(\frac (E)(T_(1)))>0,) porque ℏ ω 1 T 0 > 1 , (\displaystyle (\frac (\hbar \omega _(1))(T_(0)))>1,) A p Ω 0 ≪ 1. (\displaystyle (\frac (p)(\Omega _(0)))\ll 1.)

En presencia de un demonio, el cambio de entropía es: Δ S = ℏ ω 1 T 0 − p Ω 0 > 0. (\displaystyle \Delta S=(\frac (\hbar \omega _(1))(T_(0)))-(\frac (p)( \Omega _(0)))>0.) Aquí el primer término significa un aumento de entropía cuando un cuanto de luz emitida por una linterna incide en el ojo del demonio, y el segundo término significa una disminución de la entropía debido a una disminución en el peso estadístico del sistema. Ω 0 (\displaystyle \Omega _(0)) por la cantidad p , (\displaystyle p,) lo que conduce a una disminución de la entropía en la cantidad Δ S s = S 1 − S 0 = ln ⁡ (Ω 0 − p − ln ⁡ Ω 0 ≈ − p Ω 0 . (\displaystyle \Delta S_(s)=S_(1)-S_(0)=\ln (\Omega _(0)-p-\ln \Omega _(0)\aprox -(\frac (p)(\Omega _(0))).)

Echemos un vistazo más de cerca a este proceso. Dividamos en dos partes un recipiente que contiene gas. A (\displaystyle A) Y B (\displaystyle B) con temperaturas T B > T A , T B - T A = Δ T , T B = T 0 + 1 2 Δ T , T A = T 0 - 1 2 Δ T . (\displaystyle T_(B)>T_(A),\quad T_(B)-T_(A)=\Delta T,\quad T_(B)=T_(0)+(\frac (1)(2) )\Delta T,\quad T_(A)=T_(0)-(\frac (1)(2))\Delta T.) Supongamos que el demonio selecciona una molécula que se mueve rápidamente con energía cinética. 3 2 T (1 + ϵ 1) (\displaystyle (\frac (3)(2))T(1+\epsilon _(1))) en una zona con baja temperatura A (\displaystyle A) y lo dirige a la zona B. (\displaystyle B.) Después de eso, selecciona una molécula que se mueve lentamente y tiene energía cinética. 3 2 T (1 − ϵ 2) (\displaystyle (\frac (3)(2))T(1-\epsilon _(2))) en la zona con alta temperatura B (\displaystyle B) y lo dirige a la zona A. (\displaystyle A.)

Para preseleccionar estas dos moléculas, el demonio necesita al menos dos cuantos de luz, lo que provocará un aumento de entropía al entrar en su ojo. Δ S d = 2 ℏ ω 1 T 0 > 2. (\displaystyle \Delta S_(d)=2(\frac (\hbar \omega _(1))(T_(0)))>2.)

El intercambio de moléculas conducirá a una disminución de la entropía total. Δ S m = Δ Q (1 T B − 1 T A) ≈ − Δ Q Δ T T 2 = − 3 2 (ϵ 1 + ϵ 2) Δ T T . (\displaystyle \Delta S_(m)=\Delta Q\left((\frac (1)(T_(B)))-(\frac (1)(T_(A)))\right)\approx -\ Delta Q(\frac (\Delta T)(T^(2)))=-(\frac (3)(2))\left(\epsilon (1)+\epsilon _(2)\right)(\ frac (\Delta T)(T)).) Cantidades ϵ 1 (\displaystyle \epsilon (1)) Y ϵ 2 , (\displaystyle \epsilon (2),) muy probablemente pequeño Δ T ≪ T (\displaystyle \Delta T\ll T) y por lo tanto Δ S m = − 3 2 ν , ν ≪ 1. (\displaystyle \Delta S_(m)=-(\frac (3)(2))\nu ,\quad \nu \ll 1.)

Por tanto, el cambio total de entropía será Δ S = Δ S d + Δ S m = 2 ℏ ω 1 T 0 − 3 2 ν > 0. (\displaystyle \Delta S=\Delta S_(d)+\Delta S_(m)=2(\frac ( \hbar \omega _(1))(T_(0)))-(\frac (3)(2))\nu >0.)

La temperatura del demonio puede ser mucho más baja que la temperatura del gas. T re ≪ T 0 . (\displaystyle T_(d)\ll T_(0).) Al mismo tiempo, puede recibir cuantos de luz con energía. ℏ ω (\displaystyle \hbar \omega ), emitido por moléculas de gas a temperatura T0. (\displaystyle T_(0).) Entonces el razonamiento anterior se puede repetir con la sustitución de condiciones. T 1 > T 0 , ℏ ω 1 > T 0 (\displaystyle T_(1)>T_(0),\quad \hbar \omega _(1)>T_(0)) en condiciones T 2< T 0 , ℏ ω 1 >T2. (\displaystyle T_(2) T_(2).)

En la cultura popular

En ficción

• En el cuento "El lunes comienza el sábado" de los hermanos Strugatsky, la administración adapta los demonios de Maxwell para abrir y cerrar. puertas de entrada Instituto.
• En la historia de Sergei Snegov “El derecho a buscar”, uno de los personajes se llamaba “El Señor Demonio de Maxwell” “... ¿por qué llevo el extraño apodo de Señor Demonio? Naturalmente, lo corregí: no el Señor Demonio en general, sino el Señor Demonio de Maxwell... realmente logré implementar brillante idea Maxwell."
• En La Ciberiada de Stanisław Lem, se hace referencia al demonio de Maxwell como un "demonio del primer tipo". Los personajes del libro crean un “demonio del segundo tipo”, capaz de extraer información significativa del movimiento de las moléculas de aire.

El experimento mental es el siguiente: supongamos que un recipiente con gas está dividido por una partición impenetrable en dos partes: derecha e izquierda. En la partición hay un agujero con un dispositivo (el llamado demonio de Maxwell), que permite que las moléculas de gas rápidas (calientes) vuelen solo desde el lado izquierdo del recipiente hacia la derecha, y las moléculas lentas (frías) solo desde el lado izquierdo del recipiente hacia la derecha. lado derecho del barco hacia la izquierda. Luego, después de un largo período de tiempo, las moléculas “calientes” (rápidas) terminarán en el vaso derecho y las “frías” “permanecerán” en el izquierdo.

Así, resulta que el demonio de Maxwell permite calentar. lado derecho recipiente y enfriar el izquierdo sin suministro de energía adicional al sistema. Entropía para un sistema que consta de las partes derecha e izquierda del recipiente, en estado inicial mayor que en el final, lo que contradice el principio termodinámico de entropía no decreciente en sistemas cerrados (ver la Segunda Ley de la Termodinámica)

La paradoja se resuelve si consideramos un sistema cerrado que incluye al demonio de Maxwell y al recipiente. Para que el demonio de Maxwell funcione, se le debe transferir energía desde una fuente de terceros. Debido a esta energía, se produce la separación de moléculas frías y calientes en el recipiente, es decir, la transición a un estado con menor entropía. Un análisis detallado de la paradoja de la implementación mecánica del demonio (trinquete y trinquete) se ofrece en Feynman Lectures on Physics, vol. 4, así como en las populares conferencias de Feynman "La naturaleza de las leyes físicas".

Con el desarrollo de la teoría de la información, se descubrió que el proceso de medición puede no conducir a un aumento de la entropía, siempre que sea termodinámicamente reversible. Sin embargo, en este caso, el demonio debe recordar los resultados de medir velocidades (borrarlos de la memoria del demonio hace que el proceso sea irreversible). Dado que la memoria es finita, en cierto momento el demonio se ve obligado a borrar viejos resultados, lo que finalmente conduce a un aumento de la entropía de todo el sistema en su conjunto.

El éxito de los físicos japoneses.

Por primera vez, los físicos japoneses pudieron lograr experimentalmente un aumento en energía interna sistema, utilizando únicamente información sobre su estado y sin transferirle energía adicional.
La generación de energía a partir de información fue descrita teóricamente por primera vez por el físico británico James Maxwell en su experimento mental. En él, una criatura, más tarde llamada "el demonio de Maxwell", custodiaba la puerta entre dos habitaciones. El demonio, conociendo la energía de la molécula que se acerca a la puerta, abre el paso sólo para las moléculas "rápidas", cerrando la puerta delante de las "lentas". Como resultado, todas las moléculas "rápidas" estarán en una habitación y todas las lentas en otra, y la diferencia de temperatura resultante se puede utilizar con fines prácticos.
La implementación de una central eléctrica tan "demoníaca" requiere costos de energía mucho mayores de los que se pueden extraer de la diferencia de temperatura resultante, por lo que los científicos nunca han considerado seriamente los motores reales que funcionan según este principio. Sin embargo, el interés por estos sistemas ha resurgido en Últimamente con el desarrollo de la nanotecnología.
Los autores del estudio, físicos japoneses dirigidos por Masaki Sano de la Universidad de Tokio, pusieron en práctica un experimento mental que involucraba al "demonio de Maxwell".
Los científicos utilizaron un objeto de polímero de unos 300 nanómetros de tamaño, que se asemeja a una cuenta. Su forma se elige de modo que girar en el sentido de las agujas del reloj le resulte energéticamente más beneficioso, ya que va acompañado de la liberación de energía mecánica. La rotación en sentido contrario a las agujas del reloj, por el contrario, provoca una “torsión” de la cuenta y un aumento de la energía mecánica almacenada en ella.
La cuenta se colocó en una solución especial y, debido a su pequeño tamaño, comenzó a participar en el movimiento browniano y a girar, tanto en el sentido de las agujas del reloj como en el sentido contrario a las agujas del reloj.
Los investigadores utilizaron un equipo especial para rastrear cada vuelta de la cuenta y, mientras giraba en sentido antihorario, aplicaron un voltaje eléctrico al contenedor en el que estaba ubicada. Esta operación no transfirió energía adicional al sistema, pero al mismo tiempo no permitió que la cuenta se "desenrollara". Así, utilizando únicamente información sobre hacia dónde giraba la cuenta, los científicos pudieron aumentar su suministro de energía mecánica únicamente gracias a la energía del movimiento browniano de las moléculas.
No se viola la ley de conservación de la energía. Según los cálculos de Sano, la eficiencia de convertir información en energía en su experimento fue del 28%, lo que concuerda con los cálculos teóricos.
Un mecanismo así podría utilizarse para accionar nanomáquinas o mecanismos moleculares, afirma Vlatko Vedral, físico de la Universidad de Oxford que no participó en el experimento de Sano, cuya opinión cita la publicación en línea Nature News.
"Sería muy interesante descubrir la aplicación de este principio de transferencia de energía en los sistemas vivos", añadió el científico.

El presentador responde Investigador Laboratorio de Teoría de la Información Cuántica del MIPT y Instituto de Física Teórica que lleva el nombre de L.D. Landau RAS Gordey Lesovik:

— Según una de las formulaciones de la segunda ley de la termodinámica, el calor pasa de un cuerpo caliente a uno frío. Este es un fenómeno común y comprensible. Pero si lanzas el Demonio de Maxwell en un sistema cerrado (se cree que aumenta el grado de orden en el sistema), entonces es capaz de alterar el orden natural de las cosas y eliminar el desorden, si lo deseas. Reflejará átomos o moléculas de alta energía, cambiará los flujos y, por lo tanto, iniciará procesos completamente diferentes dentro del sistema. Se puede lograr un proceso similar utilizando nuestro dispositivo cuántico.

Representación esquemática del demonio de Maxwell. Foto: Commons.wikimedia.org

Hemos demostrado que, aunque la mecánica cuántica, en general, proporciona precisamente esto ley clásica termodinámica y asegura el orden natural de las cosas, pero artificialmente es posible crear condiciones bajo las cuales este proceso puede interrumpirse. Es decir, ahora el demonio cuántico de Maxwell; en otras palabras, un átomo artificial (generalmente llamado qubit, es decir, bit cuántico) es capaz de garantizar que el calor se transfiera de un objeto frío a uno caliente, y no al revés. . Esta es la principal novedad de nuestro trabajo.

En un futuro próximo, planeamos crear un refrigerador cuántico en el que invertiremos experimentalmente los flujos de calor naturales. Al mismo tiempo, nuestro superrefrigerador no podrá gastar energía en transformaciones por sí solo, sino (en cierto sentido) extraerla de una fuente que pueda ubicarse a pocos metros de él. Desde este punto de vista, nuestro refrigerador cuántico será (localmente) absolutamente eficiente desde el punto de vista energético. Para evitar malentendidos, es importante enfatizar que cuando se tiene en cuenta una fuente remota de energía, se restablece la validez de la segunda ley de la termodinámica y el orden mundial en su conjunto no se altera.

En cuanto al ámbito de aplicación del Quantum Demon de Maxwell, es decir nuestro dispositivo, entonces, en primer lugar, este es, por supuesto, el campo de la mecánica cuántica. Bueno, por ejemplo, una computadora normal a menudo se calienta durante el funcionamiento, lo mismo ocurre con los dispositivos cuánticos, solo que allí estos procesos son aún más críticos para el funcionamiento normal. Podremos enfriarlos o algunos microchips individuales. Ahora estamos aprendiendo a hacer esto con una eficiencia cercana al 100%.

Y, por supuesto, tales experimentos permitirán en el futuro hablar sobre la creación. máquina de movimiento perpetuo segundo tipo. No se necesitarán baterías, el motor podrá extraer energía del depósito térmico más cercano y utilizarla para mover algunos nanodispositivos.

Una máquina de movimiento perpetuo del segundo tipo es una máquina que, cuando se pone en movimiento, convierte en trabajo todo el calor extraído de los cuerpos circundantes. Según las leyes de la termodinámica, todavía se considera una idea inviable.

El demonio de Maxwell, demonio cuántico

La idea delirante de James Maxwell, cuando en 1867 se le ocurrió un poder capaz de invertir el tiempo, describía la conciencia de un “demonio” que podía anular la ley de la entropía siguiendo los movimientos más pequeños de las moléculas de gas. De esta manera el demonio pudo, al menos en la fantasía de Maxwell, revertir el aumento del desorden en los sistemas cerrados.

Más sobre la conciencia demoníaca

El demonio imaginario de Maxwell estaba en una caja cerrada e invirtió el flujo de moléculas, recreando el orden degradante. Debajo ves una cara sonriente que representa a este demonio.

(Título debajo de la imagen: Demonio en una caja con moléculas)

El demonio, prototipo de la conciencia en la materia, se da cuenta de lo que sucede y lo controla, tomando decisiones especiales. Mantiene el material caliente en un lado de la caja y el material más frío en el otro para que no se degrade el "orden" original (de frío y calor). El demonio organiza todo para que en un sistema cerrado la energía no se vuelva menos accesible o la información no se pierda. Utilizando la conciencia para abrir y cerrar la partición que separa dos volúmenes de gas en un recipiente, el demonio invierte la segunda ley de la termodinámica. Hasta ahora, nadie ha logrado encontrar tal demonio o crearlo en la realidad generalmente aceptada.

Y, sin embargo, la fantasía de Maxwell puede ser más cierta de lo que él mismo creía. Me parece que podría estar proyectando nuestra capacidad de conciencia, nuestra capacidad de notar acontecimientos o avances “nanoscópicos”. Esta conciencia cuántica casi inconmensurable es la capacidad de la conciencia que puede tomar decisiones en el país de los sueños.

El demonio de Maxwell es, de hecho, un héroe potencial de la psicoterapia, porque es esa parte de nosotros que restaura el orden al ver patrones donde los patrones anteriores se han perdido (olvidados, reprimidos, ignorados, marginados, etc.). En mi opinión, la segunda ley de la termodinámica es una proyección de un estilo de vida típico en la realidad dominante que utiliza un mínimo de conciencia. El Demonio de Maxwell es una representación de nuestra conciencia clara que opera en los niveles subatómicos inconmensurables de los nanoeventos y puede, como mínimo, aliviar la sensación de envejecimiento.

El principio psicológico proyectado sobre el demonio de Maxwell es:

Ver el orden escondido dentro del caos de la realidad dominante crea más energía disponible.

Ignorar o incluso suprimir las señales sutiles de los síntomas es deprimente y agotador. Reconocer sus síntomas como llamadas de atención le permite crear orden a partir del desorden y, en general, le brinda más energía para trabajar. La experiencia marginadora te hace sentir como un universo en decadencia.

Yo llamo al demonio de Maxwell una especie de "demonio cuántico de la conciencia", un claro rayo de conciencia que rastrea los movimientos de los átomos y las moléculas, así como los acontecimientos subatómicos. Durante la vida de Maxwell, la mecánica cuántica aún no se había inventado. Todavía no sabía nada de funciones de onda; aparecerían cincuenta años después. Pero si estuviera vivo hoy, sin duda estaría interesado en el tipo de conciencia que puede detectar y rastrear tendencias sutiles, las ondas cuánticas del país de los sueños y la guía que nos brindan. Me imagino que diría que ignorar todos los sentimientos sutiles que parpadean en nuestra conciencia contribuye al vacío y nos hace sentir mayores de lo que realmente somos.

El siguiente ejercicio te brinda la oportunidad de descubrir y experimentar la capacidad del demonio para aumentar la cantidad de energía física disponible para ti. Nos centraremos especialmente en las áreas "cerradas" de tu vida.

Un ejercicio de concienciación sobre la negentropía

1. Siéntese y piense en cómo se siente con respecto al envejecimiento. ¿Qué te gusta de ello? ¿Que es no gustar?

Por ejemplo, a muchas personas les gusta la oportunidad de realizar su potencial, pero no les gusta la pérdida de energía y lo que ellos llaman "atractivo". Algunas personas tienen la idea de que la vida está llegando a su fin.

2. Cuando estés listo, busca algo que puedas levantar o empujar. Si estás parado en una habitación, toma una silla o empuja una de las paredes y observa cuánta energía tienes disponible. Al levantar o empujar, pregúntese: "¿Cuánta de mi energía tengo disponible ahora?" Registre esta cantidad de energía. ¿A cuánto asciende: 85%, 50% o 15%? ¿Qué edad te sientes?

Por ejemplo, hoy cuando cogí una silla, la sentí más pesada de lo que debería ser. Yo diría que tengo alrededor del 50% de mi energía disponible.

3. La cantidad de energía disponible o isométrica que tienes depende en gran medida de tu sentido de orden dentro de ti. Así que ahora piensa en un área de tu vida que sientes “desorganizada”. Si es posible, elige un área nueva en lugar de relaciones o síntomas corporales, ya que ya los hemos trabajado antes.

Por ejemplo, es posible que se sienta desorganizado en cuanto a su trabajo, sus finanzas o, digamos, el desorden en su escritorio o la forma en que utiliza su tiempo. Quizás lo que sea “desordenada” sea tu actitud ante las críticas.

No pierdas de vista ignoradoáreas de tu vida que necesitan orden. Si hay muchas áreas de este tipo, elija solo una por ahora; cualquiera servirá. ¿Cómo evitas esta zona? ¿En qué sentido está “cerrada” esta zona? ¿Evitas u “olvidas” temas relacionados con esta área? ¿Cómo olvidas estas preguntas? ¿Intentas dormir más o simplemente te quejas de ellos? ¿Te los sacas de la cabeza? ¿Ves televisión o vas al cine en lugar de ordenar esta área?

4. Ahora, pensando en esta área desordenada, imagina en qué tipo de “espacio” se encuentra. ¿Qué colores y movimientos se producen en este espacio? Describe con tus propias palabras las características del espacio que contiene esta zona desordenada de la vida.

Por ejemplo, ¿se ve gris o turbio? ¿Girando y revolviendo?

¿Puedes identificar algún lugar fuera de tu cuerpo donde podría estar esta “área desordenada”, donde estaría ubicado este espacio? (por ejemplo, delante de usted, detrás de usted, etc.). Dibuja esta área desordenada al lado de tu cuerpo.

(Inscripciones en la imagen, de arriba a abajo: Las finanzas están en completo caos, grandes nubes de tormenta, ¡pobre cabeza mía! Una zona desordenada afecta la cabeza)

En la imagen, el área desordenada está relacionada con las finanzas y parece estar arriba.

¿Cómo se siente la parte de tu cuerpo más cercana a este espacio? ¿Tiene síntomas corporales cerca de esta área? Elija un síntoma corporal o uno de los síntomas para trabajar, diga aquel al que le prestó menos atención. ¿Este síntoma está relacionado con tu sensación de envejecimiento?

5. Céntrate en el síntoma de esa zona del cuerpo e identifica dos aspectos del mismo. Por ejemplo, intenta formar una imagen de la energía que sospechas o imaginas que está causando este síntoma y luego haz lo mismo con el receptor de esa energía o acción. En otras palabras, imaginemos, por así decirlo, un “creador de síntomas” y un “receptor de síntomas”.

Una forma de imaginar estas dos figuras es hacerlo lo más fuerte posible. sentir en síntoma, o imagina que lo sientes. Luego exagere el sentimiento aumentando su intensidad. Utilizando tu atención, permanece con este sentimiento hasta que surja una figura que pueda encarnar esa intensidad.

Por ejemplo, si alguien golpeara dolor de cabeza, podrías enfatizar la sensación de ese golpe hasta que tengas una figura enojada golpeando la mesa y una figura sensible (por ejemplo, la mesa misma) siendo lastimada por el golpe.

Intenta descubrir el mensaje que expresa cada figura.

Por ejemplo, la figura enojada puede estar diciendo: "Tengo que luchar para superar las cosas", mientras que la otra dice: "¡Por favor, no hagas eso, es demasiado duro y me está haciendo daño!".

6. Imagina estas dos figuras, una sufriendo y la otra creando un síntoma. Incluso dibujarlos. Luego permita que su imaginación cree espontáneamente un ser cuya conciencia entre en escena y resuelva el conflicto entre estas dos energías. Por ejemplo, imaginemos un mediador hábil, un genio, un espíritu, un personaje de dibujos animados, alguien capaz de lidiar con ambas energías. Describirlo. Dibujalo.

Por ejemplo, una de mis lectoras tenía un conflicto entre su ambición mundana y la parte de ella que estaba agobiada por esta ambición. Para su sorpresa, vio a un sacerdote que la ayudó a resolver el conflicto entre estas dos energías. A continuación he intentado dibujar las tres figuras.

El sacerdote bendijo ambas partes de ella y se suavizaron.

(Subtítulos debajo de las imágenes, de izquierda a derecha: La parte que fue pesada; el Espíritu Ayudador; la parte ambiciosa)

En algún momento, podrías intentar convertirte en tu espíritu ayudante, tu demonio de la conciencia cuántica. Entra en el sistema psicológicamente cerrado de tu cuerpo de ensueño e interviene; Facilitar la resolución del conflicto entre las dos partes en esta área de síntomas.

Imagínese la historia resultante. Deja que el demonio cuántico intervenga mágicamente y encuentre una solución.

Un lector cuyos síntomas carecían del Dios que representaba el sacerdote. Al principio, a la lectora le daba vergüenza identificarse con el sacerdote, hasta que se dio cuenta de que, en cierto sentido, ya había dedicado su vida a lo “divino”.

7. Utilice su respiración para concentrarse en la sensación de resolución de este conflicto y, si es posible, sienta una sensación de alivio en el área del síntoma.

8. Imagina cómo podrías utilizar esta solución en el área desorganizada de tu vida donde empezaste este ejercicio. Recuerde el desorden original -su espacio, colores y movimientos- y observe (o mejor aún, dibuje) cómo se ha transformado esta zona. No "trabajes" en ello, simplemente deja que suceda internamente hasta que las cosas mejoren.

9. Finalmente, regresa a la pared o a la silla y, con atención, observa nuevamente qué efecto puede haber tenido este trabajo en tu sensación de energía disponible para hacer lo que necesitas hacer en la vida. ¿Qué cambios estás notando en tu energía disponible?

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