In der Philosophie der thermischen und statistischen Physik ist der Dämon von Maxwell ein vom Physiker James Clerk Maxwell geschaffenes Gedanke-Experiment, um "zu zeigen, dass das Zweite Gesetz der Thermodynamik nur eine statistische Gewissheit hat". Es demonstriert den Punkt von Maxwell durch das hypothetische Beschreiben, wie man das Zweite Gesetz verletzt: Ein Behälter wird in zwei Teile durch eine isolierte Wand mit einer Tür geteilt, die geöffnet und dadurch geschlossen werden kann, was gekommen ist, um "den Dämon von Maxwell" genannt zu werden. Der Dämon öffnet die Tür, um nur den "heißen" Molekülen von Benzin zu erlauben, zu einer begünstigten Seite des Raums zu fließen, diese Seite veranlassend, allmählich anzuheizen, während sich die andere Seite beruhigt, so Wärmegewicht vermindernd.

Ursprung und Geschichte der Idee

Das Gedanke-Experiment ist zuerst in einem Brief erschienen, den Maxwell Peter Guthrie Tait am 11. Dezember 1867 geschrieben hat. Es ist wieder in einem Brief an John William Strutt 1870 erschienen, bevor es dem Publikum im 1871-Buch von Maxwell auf der betitelten Theorie der Thermodynamik der Hitze präsentiert wurde.

In seinen Briefen und Buch hat Maxwell den Agenten beschrieben, der die Tür zwischen den Räumen als ein "begrenztes Wesen" öffnet. William Thomson (Herr Kelvin) war erst, um das Wort "Dämon" für das Konzept von Maxwell, in der Zeitschrift Natur 1874 zu verwenden, und hat angedeutet, dass er das Vermitteln, aber nicht boshaft, Konnotation des Wortes beabsichtigt hat.

Ursprüngliches Gedanke-Experiment

Das zweite Gesetz der Thermodynamik sichert (durch die statistische Wahrscheinlichkeit), dass sich zwei Körper der verschiedenen Temperatur, wenn gebracht, in den Kontakt mit einander und isoliert vom Rest des Weltalls, zu einem thermodynamischen Gleichgewicht entwickeln werden, in dem beide Körper ungefähr dieselbe Temperatur haben. Das zweite Gesetz wird auch als die Behauptung ausgedrückt, dass in einem isolierten System Wärmegewicht nie abnimmt.

Maxwell hat sich ein Gedanke-Experiment als eine Weise vorgestellt, das Verstehen des zweiten Gesetzes zu fördern. Seine Beschreibung des Experimentes ist wie folgt:

Mit anderen Worten stellt sich Maxwell einen Behälter vor, der in zwei Teile, A und B geteilt ist. Beide Teile werden mit demselben Benzin bei gleichen Temperaturen gefüllt und neben einander gelegt. Die Moleküle an beiden Seiten beobachtend, schützt ein imaginärer Dämon eine Falltür zwischen den zwei Teilen. Wenn ein als Durchschnitt schnelleres Molekül von Fliegen zur Falltür, der Dämon es öffnet, und das Molekül von bis B fliegen wird. Ebenfalls, wenn ein als Durchschnitt langsameres Molekül von B-Fliegen zur Falltür, der Dämon es von B bis A wird gehen lassen. Die durchschnittliche Geschwindigkeit der Moleküle in B wird zugenommen haben, während sich in ihnen durchschnittlich verlangsamt haben wird. Da durchschnittliche molekulare Geschwindigkeit Temperatur, den Temperaturabnahmen in A und Zunahmen in B gegen das zweite Gesetz der Thermodynamik entspricht.

Bemerken Sie, dass der Dämon Molekülen erlauben muss, in beiden Richtungen zu gehen, um nur einen Temperaturunterschied zu erzeugen; der Einwegdurchgang nur als Durchschnitt schnellerer Moleküle von bis B wird höhere Temperatur und Druck veranlassen, sich auf der B Seite zu entwickeln. Tatsächlich, weil Temperatur und Druck verbunden sind, wenn A und B beide dieselben Zahlen des Moleküls pro Einheitsvolumen enthalten, wird derjenige mit der höheren Temperatur auch höheren Druck haben; der Dämon muss wirklich langsamere Moleküle von B bis gehen lassen als schneller-Pass von bis B, um B heißer an demselben Druck zu machen. Tatsächlich, durch die Regulierung der Zahl von Molekülen ist in jeder Richtung gegangen, der Dämon konnte einen Druck-Unterschied statt eines Temperaturunterschieds oder jede Kombination der Temperatur und Druck-Unterschiede (vielleicht einschließlich des niedrigeren Drucks auf die höhere Temperaturseite, abhängig von der Abweichung in den Geschwindigkeiten der Moleküle) erreichen.

Kritik und Entwicklung

Mehrere Physiker haben Berechnungen präsentiert, die zeigen, dass das zweite Gesetz der Thermodynamik nicht wirklich verletzt wird, wenn eine mehr ganze Analyse aus dem ganzen System einschließlich des Dämons gemacht wird. Die Essenz des physischen Arguments soll durch die Berechnung zeigen, dass jeder Dämon mehr Wärmegewicht "erzeugen" muss, das die Moleküle trennt, als es jemals durch die beschriebene Methode beseitigen konnte. D. h. es würde mehr Energie bringen, die Geschwindigkeit der Moleküle zu messen und ihnen zu erlauben, die Öffnung zwischen A und B auswählend durchzuführen, als der Betrag der Energie, die durch den Unterschied der dadurch verursachten Temperatur gespart ist.

Eine der berühmtesten Antworten auf diese Frage wurde 1929 von Leó Szilárd, und später von Léon Brillouin angedeutet. Szilárd hat darauf hingewiesen, dass ein Dämon eines wahren Maxwells einige Mittel würde haben müssen, molekulare Geschwindigkeit zu messen, und dass die Tat, Information zu erwerben, einen Verbrauch an der Energie verlangen würde. Da der Dämon und das Benzin aufeinander wirken, müssen wir das Gesamtwärmegewicht des Benzins und des Dämons als verbunden betrachten. Der Verbrauch an der Energie durch den Dämon wird eine Zunahme im Wärmegewicht des Dämons verursachen, der größer sein wird als das Senken des Wärmegewichtes des Benzins.

1960 hat Rolf Landauer eine Ausnahme zu diesem Argument erhoben. Er hat begriffen, dass einige Messprozesse thermodynamisches Wärmegewicht nicht zu vergrößern brauchen, so lange sie thermodynamisch umkehrbar waren. Er hat vorgeschlagen, dass diese "umkehrbaren" Maße verwendet werden konnten, um die Moleküle zu sortieren, das Zweite Gesetz verletzend. Jedoch, wegen der Verbindung zwischen thermodynamischem Wärmegewicht und Informationswärmegewicht, hat das auch bedeutet, dass das registrierte Maß nicht gelöscht werden muss. Mit anderen Worten, um zu bestimmen, ob man ein Molekül durch lässt, muss der Dämon Information über den Staat des Moleküls erwerben und entweder es verwerfen oder es versorgen. Verschrottung davon führt zu unmittelbarer Zunahme im Wärmegewicht, aber der Dämon kann es unbestimmt nicht versorgen: 1982 hat Bennett gezeigt, dass, jedoch gut bereit, schließlich der Dämon an Informationsabstellraum knapp werden wird und beginnen muss, die Information zu löschen, die er vorher gesammelt hat. Das Auslöschen der Information ist ein thermodynamisch irreversibler Prozess, der das Wärmegewicht eines Systems vergrößert. Obwohl Bennett zu demselben Schluss wie das 1929-Papier von Szilard gelangen war, dass ein Dämon von Maxwellian das zweite Gesetz nicht verletzen konnte, weil Wärmegewicht geschaffen würde, hatte er es aus verschiedenen Gründen erreicht.

John Earman und John Norton haben behauptet, dass Szilárds Erklärungen und Landauers des Dämons von Maxwell durch das Annehmen beginnen, dass das zweite Gesetz der Thermodynamik vom Dämon nicht verletzt werden kann, und weitere Eigenschaften des Dämons von dieser Annahme einschließlich der Notwendigkeit der sich verzehrenden Energie ableiten, wenn man Information usw. löscht. Es würde deshalb kreisförmig sein, um diese abgeleiteten Eigenschaften anzurufen, das zweite Gesetz gegen das dämonische Argument zu verteidigen. Bennett hat später die Gültigkeit von Earman und dem Argument von Norton anerkannt, während er aufrechterhalten hat, dass der Grundsatz von Landauer den Mechanismus erklärt, durch den echte Systeme das zweite Gesetz der Thermodynamik nicht verletzen.

Anwendungen

Wahre Versionen von Dämonen von Maxwellian kommen vor, aber alle diese "echten Dämonen" haben ihre Wärmegewicht senkenden Effekten, die ordnungsgemäß durch die Zunahme des Wärmegewichtes anderswohin erwogen sind.

Von Partikel-Physikern verwendete Fallen des einzelnen Atoms erlauben einem Experimentator, den Staat von individuellen Quanten in einem dem Dämon von Maxwell ähnlichen Weg zu kontrollieren.

Molekular-große Mechanismen werden nur in der Biologie nicht mehr gefunden; sie sind auch das Thema des erscheinenden Feldes der Nanotechnologie.

Ein groß angelegtes, gewerblich verfügbares pneumatisches Gerät, genannt eine Ranque-Hilsch Wirbelwind-Tube trennt heiße und kalte Luft. Es sortiert Moleküle durch die Ausnutzung der Bewahrung des winkeligen Schwungs: Heißere Moleküle werden zur Außenseite der Tube gesponnen, während kühlere Moleküle in einem dichteren Wirbeln innerhalb der Tube spinnen. Das Benzin vom zwei verschiedenen Temperaturwirbeln kann an entgegengesetzten Enden der Tube abreagiert werden. Obwohl das einen Temperaturunterschied schafft, wird die Energie, so zu tun, durch den Druck geliefert, das Benzin durch die Tube steuernd.

Wenn hypothetische Spiegelsache besteht, schlägt Zurab Silagadze vor, dass Dämonen vorgestellt werden können, "der wie Perpetuum Mobile der zweiten Art handeln kann: Extrakt-Hitzeenergie von nur einem Reservoir, verwenden Sie es, um Arbeit zu tun und vom Rest der gewöhnlichen Welt isoliert zu werden. Und doch wird das Zweite Gesetz nicht verletzt, weil die Dämonen ihre Wärmegewicht-Kosten im verborgenen (Spiegel) Sektor der Welt bezahlen, indem sie Spiegelfotonen ausstrahlen."

1962 Vorträge, um Thermodynamik zu illustrieren, hat Physiker Richard Feynman ein Dämon-Gerät eines vermeintlichen Maxwells, ein winziges einem Klinkenrad beigefügtes Stapelrad analysiert, sich zeigend, warum sie Energie aus der molekularen Bewegung einer Flüssigkeit am Gleichgewicht nicht herausziehen kann. Dieses Brownian Klinkenrad ist ein populäres lehrendes Werkzeug.

Experimentelle Arbeit

Im Problem am 1. Februar 2007 der Natur hat David Leigh, ein Professor an der Universität Edinburghs, die Entwicklung eines auf diesem Gedanke-Experiment gestützten Nano-Geräts bekannt gegeben. Dieses Gerät ist im Stande, ein chemisches System aus dem Gleichgewicht zu vertreiben, aber es muss von einer Außenquelle (Licht in diesem Fall) angetrieben werden und verletzt deshalb Thermodynamik nicht.

Vorher haben andere Forscher ein ringförmiges Molekül geschaffen, das auf einer Achse gelegt werden konnte, die zwei Seiten verbindet (hat A und B genannt). Partikeln von jeder Seite würden auf den Ring stoßen und es von der Länge nach bewegen. Wenn eine große Sammlung dieser Geräte in ein System gelegt wurde, hatte die Hälfte der Geräte den Ring an der Seite A und Hälfte an B in jedem gegebenen Moment rechtzeitig.

Leigh hat eine geringe Änderung mit der Achse vorgenommen, so dass, wenn ein Licht auf dem Gerät poliert wird, das Zentrum der Achse dick werden wird, so die Bewegung des Rings einschränkend. Es hält nur den Ring vom Bewegen jedoch ab, wenn es an der Seite A ist. Mit der Zeit, deshalb, werden die Ringe von der Seite B zur Seite A gestoßen und dort stecken bleiben, eine Unausgewogenheit im System schaffend. In seinen Experimenten ist Leigh im Stande gewesen, einen Topf von "Milliarden dieser Geräte" von 50:50 Gleichgewicht zu 70:30 Unausgewogenheit innerhalb von ein paar Minuten zu nehmen.

Das Problem im März 2011 des Wissenschaftlichen Amerikaners zeigt einen Artikel von Professor Mark G. Raizen von der Universität Texas, Austin, der die erste Verwirklichung des Dämons von Maxwell mit Gasphase-Partikeln, wie ursprünglich vorgesehen, durch Maxwell bespricht. 2005 haben Raizen und Mitarbeiter gezeigt, wie man den Dämon von Maxwell für ein Ensemble von verdünnten gasphasigen Atomen oder Molekülen begreift. Das neue Konzept ist eine Einwegwand für Atome oder Moleküle, der ihnen Bewegung in einer Richtung erlaubt, aber nicht gehen zurück. Die Operation der Einwegwand verlässt sich auf einen irreversiblen atomaren und molekularen Prozess der Absorption eines Fotons an einer spezifischen Wellenlänge, die von der spontanen Emission zu einem verschiedenen inneren Staat gefolgt ist. Der irreversible Prozess wird mit einer konservativen Kraft verbunden, die durch magnetische Felder und/oder Licht geschaffen ist. Raizen und Mitarbeiter haben vorgehabt, die Einwegwand zu verwenden, um das Wärmegewicht eines Ensembles von Atomen zu reduzieren. In der Parallele, Gonzalo Muga und Andreas Ruschhaupt, hat unabhängig ein ähnliches Konzept entwickelt. Ihre "Atom-Diode" wurde für das Abkühlen nicht vorgeschlagen, aber eher Fluss von Atomen zu regeln. Raizen Group hat das bedeutende Abkühlen von Atomen mit der Einwegwand in einer Reihe von Experimenten 2008 demonstriert. Nachher wurde die Operation einer Einwegwand für Atome von Daniel Steck und Mitarbeitern später 2008 demonstriert. Ihr Experiment hat auf dem 2005-Schema für die Einwegwand basiert, und wurde für das Abkühlen nicht verwendet. Die kühl werdende von Raizen Group begriffene Methode wurde "das Abkühlen des Einzelnen Fotons genannt," weil nur ein Foton durchschnittlich erforderlich ist, um ein Atom zum nahen Rest zu bringen. Das ist im Gegensatz zum Laserabkühlen, das den Schwung des Fotons verwendet und einen Rad fahrenden Zwei-Niveaus-Übergang verlangt.

2006 haben Raizen, Muga und Ruschhaupt in einer theoretischen Zeitung gezeigt, dass weil jedes Atom die Einwegwand durchquert, streut es ein Foton, und Auskunft wird über den Wendepunkt und folglich die Energie dieser Partikel gegeben. Die Wärmegewicht-Zunahme des Strahlenfeldes, das von einem Richtungslaser in eine zufällige Richtung gestreut ist, wird durch die Wärmegewicht-Verminderung der Atome genau erwogen, weil sie mit der Einwegwand gefangen werden. Deshalb ist das Abkühlen des einzelnen Fotons eine physische Verwirklichung des Dämons von Maxwell in demselben Sinn, der von Leo Szilard 1929 vorgesehen ist.

Die Wichtigkeit vom einzelnen Foton-Abkühlen besteht darin, dass es eine allgemeine Methode zur Verfügung stellt, um Mehrniveau-Atome oder Moleküle abzukühlen. Es überlistet die Beschränkung des Laserabkühlens, das einen Rad fahrenden Zwei-Niveaus-Übergang verlangt, und folglich auf einen kleinen Satz von Atomen im Periodensystem beschränkt wird. Die experimentelle Verwirklichung des Dämons von Maxwell ist ein Schlüsselschritt zur allgemeinen Kontrolle von Atomen in der Gasphase. Außer der grundlegenden wissenschaftlichen Forschung werden diese Methoden effiziente Isotop-Trennung für die Medizin und Grundlagenforschung, sowie Steuern-Atome in der Gasphase für die nanoscale Absetzung auf Oberflächen ermöglichen. Das neu nähert sich von unten nach oben nanoscience wird Atomoscience genannt und wird durch die Verwirklichung des Dämons von Maxwell ermöglicht.

Bezüglich des Grundsatzes von Landauer wurde die minimale zerstreute Energie durch das Löschen der Information von Eric Lutz experimentell gemessen u. a. 2012. Obwohl ein Dämon im Prinzip die Partikel beobachten konnte, das Ergebnis zu sparen und zu folgen, würde es, das Ergebnis löschend, Hitze notwendigerweise zerstreuen und so Wärmegewicht vergrößern. Ohne ein unendliches Gedächtnis würde der Dämon schließlich seine vorherigen Ergebnisse überschreiben müssen. Zusätzlich ist das Auswischen energieeffizienter langsamer geworden es war, so auch der Dämon verlangend, sich Nullverarbeitungsgeschwindigkeit asymptotisch zu nähern.

Adams und der Dämon als historische Metapher

Der Historiker Henry Brooks Adams in seinem Manuskript Die Regel der zur Geschichte Angewandten Phase hat versucht, den Dämon von Maxwell als eine historische Metapher zu verwenden, obwohl er missverstanden hat und den ursprünglichen Grundsatz falsch angebracht hat. Adams hat Geschichte als ein Prozess-Herangehen "Gleichgewicht" interpretiert, aber er hat militaristische Nationen gesehen (er hat Deutschland gefühlt, das in dieser Klasse herausragend ist), als das dazu Neigen, diesen Prozess, einen Dämon von Maxwell der Geschichte umzukehren. Adams hat viele Versuche gemacht, auf die Kritik seiner Formulierung von seinen wissenschaftlichen Kollegen zu antworten, aber die Arbeit ist unvollständig am Tod von Adams 1918 geblieben. Es wurde nur postum veröffentlicht.

Siehe auch

• Chance und Notwendigkeit
• Katalyse
• Masse von Dispersive überträgt
• Eindampfung
• Paradox von Gibbs
• Saal-Wirkung
• Der Unklarheitsgrundsatz von Heisenberg
• Wirkung des Joules-Thomson
• Der Dämon von Laplace
• Gesetze der Thermodynamik
• Massenspektrometrie
• Fotoelektrische Wirkung
• Quant-Tunnelbau
• Die Katze von Schrödinger
• Thermionische Emission

Referenzen

Links

• Bennett, C. H. (1987) "Dämonen, Motoren und das Zweite Gesetz", Wissenschaftlicher Amerikaner, November, pp108-116
• Maroney, O. J. E. (2009) ""Informationsverarbeitung und Thermodynamisches Wärmegewicht" Die Enzyklopädie von Stanford der Philosophie (Ausgabe des Herbstes 2009)

• nachgedruckt (2001) New York: Dover, internationale Standardbuchnummer 0-486-41735-2
• Raizen, Mark G. (2011) "Dämonen, Wärmegewicht und die Suche nach der Absoluten Null", Wissenschaftlicher Amerikaner, März, pp54-59
• Reaney, Patricia. "Wissenschaftler bauen nanomachine", Reuters, am 1. Februar 2007
• Übertreten Rubi, J Miguel, "Natur das Zweite Gesetz der Thermodynamik?"; wissenschaftlicher Amerikaner, Oktober 2008:
• Splasho (2008) - Historische Entwicklung des Dämons von Maxwell
• Weiss, Peter. "Das Übertreten des Gesetzes - Kann Quant-Mechanik + Thermodynamik = fortwährende Bewegung?", Wissenschaftsnachrichten, am 7. Oktober 2000