Комментарии 23
Наверняка многие узнали про Демонов Максвелла читая в старшем школьном возрасте эти строчки
«Там в фосфоресцирующем тумане маячили два макродемона Максвелла. Демоны играли в самую стохастическую из игр — в орлянку. Они занимались этим все свободное время, огромные, вялые, неописуемо нелепые, более всего похожие на колонии вируса полиомиелита под электронным микроскопом, одетые в поношенные ливреи. Как и полагается демонам Максвелла, всю свою жизнь они занимались открыванием и закрыванием дверей.»
Реально в виде ноутбуков выкладывает?
Несомненно второй закон термодинамики главный закон природы, как сказал один мудрец -если он не учитывается в вашей теории, то выбросьте ее. А если взять пример из высоких энергий? Внутри протона непрерывно рождаются и уничтожаются мериады виртуальных пионов, орбитальные моменты кварков настолько велики что дают релятивистскую массу. И этот процесс продолжается миллиарды лет без малейшей дисипации энергии, более того, произошла самосборка вещества, энтропия понизилась. За чей счёт, какие демоны потрудились?
Энтропия в закрытой системе не может убывать
Закрытых систем не существует в природе.
Ну во Вселенной в глобальном масштабе она тоже почему-то убывает. От океана чистой плазмы перешли сперва к нейтральному газу, потом к облакам сложной волокнистой структуры, а затем начали возникать такие сложные структуры, как спиральные галактики.
Сложность увеличилась вместе с энтропией. Потом сложность уменьшится, а энтропия продолжит увеличиваться.
Сложность — это не синоним энтропии в физике, просто прикольный сайд-эффект, баг системы.
Выдержка из той статьи:
Вообще тенденция к увеличению энтропии не исключает возрастания сложности. Более того, сложность как раз и возникает благодаря второму закону термодинамики. Чтобы понять, как это происходит, нужно разобраться с самими терминами «сложность», «порядок», «неупорядоченность» и «хаос». Интуитивно мы ассоциируем сложность с низкой энтропией, а простоту – с высокой. Действительно, упорядоченная мозаика кажется сложнее кучи перемешанных цветных камешков, а целое яйцо – сложнее омлета. С точки зрения статистической механики, информатики и квантовой физики всё наоборот: неупорядоченная система сложнее упорядоченной, потому что для её описания нужно больше данных. Частицы газа содержат больше квантовой информации, чем атомы кристалла. Какой же из этих подходов правильнее? Ни тот, ни другой. Эффективная сложность макроскопической системы не равна её упорядоченности, но и не связана с количеством квантовой информации в системе. Эволюция сложности коррелирует с динамикой роста энтропии, но не совпадает с ней. На графике это выглядит так:
Демон максвелла вовсе не должен нагреваться во время работы, т.к. в механической модели, где он существует, нет никакого нагрева, только упругие соударения. Поэтому распространенное возражение, мол, демон нагреется и перестанет различать молекулы - несостоятельно. Достаточно быстрая молекула отрывает дверцу демона и проникает на другую сторону, а медленная - отскакивает назад. Есть и второй вариант обеспечить работу демона - так как ничто не мешает рассчитать все траектории молекул в механической системе - дверка может открываться автоматически (по программе зашитой при начале работы) при подлете быстрой молекулы и не открываться перед медленной.
Достаточно быстрая молекула отрывает дверцу демона
Если "дверца демона" состоит из 2 и более элементов - она может нагревается, когда элементы получают хаотические колебания относительно друг друга, и в итоге - разрушиться.
В модели механической системы, в которой работает демон максвелла, нет никакого нагрева, только упругие соударения бесструктурных объектов - молекул, дверцы и т.д. И смысл демона как раз в том и состоит - показать опровержение 2го начала в модельной ситуации - чисто механическая сисиема, сосуд с газом и полупроницаемая дверца, пропускающая быстрые и не пропускающая медленные молекулы. В принципе, и демона привлекать не требуется, есть возвратная теорема Пуанкаре, доказывающая, что газ в сосуде после убирания перегородки, рано или поздно, снова соберётся в той половине сосуда, где был до убирания перегородки. Правда, время до этого превышает время жизни вселенной, но 2е начало не ограничено временем.
Есть и еще один остроумный вопрос относительно 2го начала. Вот берем сосуд с идеальным газом, разделенный перегородкой, потом ее убираем. Молекулы разоетаются по всему сосуду, энтропия растет (энтропия - мера вероятности состояния, и вероятность, что газ сам собой собрался в одной половине сосуда меньше вероятности, что равномерно заполнил сосуд). Молекулы летают, каждая имеет скорость. А теперь берем и обращаем все скорости всех молекул. Система механическая, эксперимент мысленный, формального запрета на эту операцию нет. И газ за короткое время снова соберется в углу сосуда, но уже без перегородки, уиеньшив энтропию. Как говорят, у сторонников 2го начала нет более существенного возражения кроме сакраментального "пойдите и обратите их" :) но демону и не такое по плечу :)
только упругие соударения бесструктурных объектов
Соударения это и есть нагрев. Температура газа или поверхности это количество энергии, которое они передадут термометру посредством таких соударений.
Нет, упругие соударения никакой энергии в тепло/нагрев в рассматриваемом мысленном эксперименте не передают, так как они упругие :). Если стенка массивна, направление скорости частицы просто меняется на противоположное (стенка сосуда), и остается таким же по модулю, или становится чуть меньше, если часть импульса передается другой частице. Мы рассматриваем модельный мысленный эксперимент в чисто механической системе, где ни про какой нагрев никто не знает, энергия только кинетическая mv^2/2. Во внутреннюю энергию стенок ничего не переходит.
так как они упругие
и остается таким же по модулю
Нет, даже с упругими столкновениями модуль скорости может меняться. Это зависит от смещения центров.
где ни про какой нагрев никто не знает
Если мы рассматриваем скорости молекул и их столкновение, это по определению означает нагрев. Потому что нагрев это и есть увеличение скорости молекул.
энергия только кинетическая mv^2/2
"Тепло" это и есть эта энергия, никакого другого тепла нет.
Против интерпретации "нагрева" как увеличения скорости молекул, возражений нет. Но если просто увеличение скорости молекул имеется ввиду под нагревом - как этот "нагрев" помешает работе демона максвелла? Предполагалось, придумывая это возражение, что демон "нагреется" и перестанет отличать быстрые молекулы от медленных, чтобы перед первыми дверцу открывать, а перед вторыми - нет
Насчет "смещения центров" - мы рассматриваем идеальный газ в мысленном эксперименте, где молекулы - бесструктурные шарики одного размера, никаких "смещений центров" при их соударениях не происходит.
Никак, я возражаю на утверждение "нет никакого нагрева, только упругие соударения". Любой нагрев это упругие соударения.
бесструктурные шарики одного размера, никаких "смещений центров" при их соударениях не происходит.
У бесструктурных шариков одного размера может быть смещение центров на любую величину от 0 до этого размера. При хаотичном движении только центральные соударения математически невозможны. При рассмотрении теплового движения молекул подразумевают, что после столкновения они могут разлетаться под любыми углами. Столкновения при этом остаются упругими.
Здесь согласен, вы правы, шарики могут краешками цеплять друг друга. Что касается нагрева - обычно считается, что нагрев - это переход части энергии кинетической во внутреннюю энергию тела (увеличение скорости движения молекул внутри тела). В схеме мысленного эксперимента от ударения шариков молекул газа о стенки сосуда, внутренняя энергия стенок не увеличивается, они не нагреваются. Вообще, температура сильно завязана на энтропию, и с ней история тоже интересная.
Аналог демона Максвелла происходит при любом испарении. Быстрые молекулы покидают поверхность жидкости, медленные остаются. Только быстрые теряют часть энергии на "открытие дверцы".
https://nplus1.ru/news/2020/04/08/collisional-cooling-of-ultracold-molecules
Можно еще привести вот эту ссылку. Там охладили тяжелые молекулы NaLi до почти абсолютного нуля с помощью более легких Na. Легкие сталкиваются с тяжелыми, замедляют их и набирают скорость, ее становится достаточно, чтобы пройти через электромагнитный барьер. То есть внутри остаются только холодные.
Суперпозиция несводима ни к одному из тех состояний, которые её слагают, соответственно, нахождение в суперпозиции характеризуется меньшей степенью энтропии, чем нахождение в одном из двух состояний.
Как-то странно... Если известно, что система находится в одном из двух состояний, то она характеризуется набором вероятностей (1, 0) или (0, 1). Энтропия (Шеннона) будет равна нулю. Что вполне согласуется со здравым смыслом - если мы точно (с вероятностью 1) знаем исход нашего случайного эксперимента, то никакой неопределённости нет. В случае с суперпозицией все вероятности ненулевые и, соответственно, энтропия будет положительной, т.е. больше, чем нулевая энтропия при нахождении в одном из двух состояний.
Наоборот, в смешанном (декогерентном) состоянии (1, 0) или (0, 1) нам неизвестно, какое именно значение принял каждый из кубитов, поэтому энтропия максимальна. В чистом состоянии (суперпозиции) мы знаем о системе всё, что можно знать (амплитуды вероятностей), поэтому энтропия равна нулю. Но речь идёт не о шенноновской энтропии, а о квантовой энтропии фон Неймана, которая неаддитивна (целое меньше суммы частей). То есть каждый из двух запутанных кубитов имеет максимальную энтропию (его состояние нам неизвестно), а вместе они находятся в чистом состоянии с нулевой энтропией.
Спасибо за ссылки, хорошее дополнение к моим обзорам. Интересно, что в статье Лебедева и Лесовика говорится о "телепортации" энтропии демоном из кубита на расстояние в несколько метров. Это подозрительно напоминает протокол телепортации квантовой информации, которая также осуществляется путём предварительного запутывания кубитов. И снова прослеживается связь термодинамической энтропии с информацией и квантовой энтропией как мерой "смешанности" состояния кубита.
С точки зрения не физики, а наблюдения за физикой, второе начало термодинамики - странная сущность. С одной стороны, всё более-менее ясно: yet another физический закон, довольно простой в понимании, и его, как и все остальные, нарушить невозможно. Что мы, аксиом не видели?
С другой стороны - почти каждая публикация, где он так или иначе затрагивается, непременно содержит пафосные ремарки или комментарии на этот счёт. Например:
Второе начало термодинамики – это один из фундаментальных физических законов
(а какой физический закон не один из фундаментальных?)
Несомненно второй закон термодинамики главный закон природы
(несомненно, очевидно, общеизвестно... А с чего бы одному из множества законов физики быть "главным законом природы" и если так, то почему в термодинамике он второй?)
если он не учитывается в вашей теории, то выбросьте её
(что относится и к любому другому закону физики или математической теореме/аксиоме)
Имхо, это всё равно что при каждой математической статье писать "общеизвестно, что в сумма углов треугольника 180 градусов и это одно из фундаментальных правил математики". А что, с этим кто-то спорит? Или мы боремся с вечнодвигателестроителями, которые пытаются в лоб нарушить общеизвестный физический закон?
Да с этим законом, 2м началом, еще Мариан Смолуховский разобрался, показав, что это нисколько не фундаментальный закон, а лишь впечатление наблюдателя, возникабщее из-за неточности и ограниченности (в т.ч. во времени) его восприятия. Правда, этот ено вывод потом окащался забыт, слишком необычным он был, привлек наблюдателязадолго до квантовой механики :)
Как приручить демона Максвелла