Секрет долголетия ночницы.

Биологи уже давно считают, что продолжительность жизни животного определяется очень просто: чем оно больше, тем дольше живет.

Демон Максвелла

Материалы по биологии и химии / Научная революция / Демон Максвелла

С возникновением термодинамики в физике сложилась весьма щекотливая ситуация. Дело в том, что законы ньютоновской классической механики являются обратимыми. Это своим следствием содержит тот факт, что в классической динамической системе всегда можно, варьируя начальные условия, привести систему в определенное, «нужное», заранее выбранное состояние. Иными словами, жесткая детерминированность законов классической физики, отсутствие в ней элементов вероятности, случайности определяют возможность воздействия на систему, управления системой. Наиболее ярким примером подобного детерминированного описания может служить «демон Лапласа».

Второе начало термодинамики указывает на то обстоятельство, что вследствие необратимого характера протекания процессов в термодинамических системах, они не могут быть управляемыми до конца. И. Пригожин и И. Стенгерс очень образно выразили этот факт словами: «Необратимое увеличение энтропии описывает приближение системы к состоянию, неодолимо «притягивающему» ее, предпочитаемому ею перед другими, - состоянию, из которого система не выйдет по «доброй воле».

Однако II начало термодинамики справедливо для системы с большой совокупностью частиц. На это обстоятельство особенно обращал внимание Максвелл, говоря о том, что в системах с малым количеством объектов следствием статистических законов должно стать нарушение второго начала термодинамики. И если бы существовало такое существо («демон Максвелла»), которое обладало бы способностью видеть, следить за каждой молекулой, отбирать отдельные молекулы, то оно могло бы нарушить закон возрастания энтропии.

Так, если бы это существо отбирало бы самые быстрые молекулы и перекладывало бы их во второй сосуд, то в первом сосуде газ охлаждался бы, а во втором нагревался. Так что с помощью демона Максвелла можно было бы нагревать газ во втором сосуде без расхода энергии, просто за счет умелого разделения молекул газа на две части.

С точки зрения классической механики, если рассматривать молекулы в качестве материальных точек, здесь не возникает никакого парадокса. Сам Максвелл считал, что если в макроскопической теории следует оперировать усредненными величинами и статистическими закономерностями, что отличает это описание от описания, принятого в классической механике, то для микропроцессов такого различения не требуется: здесь механические явления тождественны по своей сути.

Разрешение парадокса с демоном Максвелла было дано Сциллардом в 1928 году. Демон, для того, чтобы осуществлять наблюдение за молекулами, должен иметь размеры, ненамного превышающие размеры самих молекул. Но при этом те молекулы (небольшое количество их, составляющих самого демона) все время сами будут пребывать в хаотическом движении.

Чтобы исключить хаотическое движение самого демона, надо все время поддерживать его при очень низкой температуре. Вот и получается, что для подавления собственного хаотического движения демона, его собственных флуктуации требуется не меньше энергии, чем демон мог бы раздобывать, неутомимо работая по разделению быстрых (горячих) молекул и медленных (холодных).