Oamenii de știință aruncă o privire în mintea demonului lui Maxwell

Fizicienii au cercetat acum memoria demonului lui Maxwell, o fiară stricată, ipotetică. Privind informațiile reținute de o versiune de laborator a creaturii, oamenii de știință au confirmat rolul informațiilor în salvarea celei de-a doua lege a termodinamicii de atacul unei ființe minuscule, superputernice, intenționată să facă ravagii.

În muncă raportate online 3 iulie în Proceedings of the National Academy of Sciences, o echipă de cercetători a creat o versiune cuantică a demonului lui Maxwell în laborator și a măsurat atât informațiile stocate în memoria sa, cât și energia extrasă dintr-un sistem. Rezultatele ilustrează direct faptul că informația joacă un rol cheie în încercările demonului de a distila energie.

Din 1867, când demonul a fost propus de fizicianul James Clerk Maxwell, oamenii de știință s-au întrebat dacă o astfel de creatură ar putea încălca a doua lege, un principiu sacru al fizicii. Declară că entropia sau dezordinea unui sistem închis nu poate scădea în timp.

Maxwell a sugerat că o ființă minusculă nefastă ar putea circula în jurul moleculelor pentru a scădea entropia – de exemplu, punând toate moleculele care se mișcă rapid pe o parte a unei cutii care conține un gaz și pe cele mai lente pe cealaltă parte. O astfel de reconfigurare improbabilă ar încălca a doua lege, permițând demonului să sifoneze ilegal energia.

Un secol mai târziu, a fost găsită o soluție la această dilemă: demonul trebuie să înregistreze informații despre molecule pentru a le manipula, iar aceste informații au relevanță fizică. Stocarea acelei informații în „creierul” său crește entropia demonului, compensând scăderea entropiei pe care o produce demonul. Pe măsură ce demonul extrage energie, trebuie să ștergă conținutul memoriei sale pentru a stoca informații noi și a manipula alte molecule. Acea ștergere, a stabilit fizicianul Rolf Landauer în 1961, costă energie și eliberează entropie, cu rezultatul că recolta de energie a demonului este anulată.

Pentru a arăta că demonul și-a amintit într-adevăr proprietățile sistemului, cercetătorii au sondat starea cuantică a memoriei demonului.

„Starea memoriei este foarte importantă”, spune fizicianul Juan Parrondo de la Universitatea Complutense din Madrid, pentru că este ceea ce confirmă că a doua lege este valabilă în continuare. „Acesta este primul experiment care abordează cu adevărat această întrebare”, spune Parrondo, care nu a fost implicat în cercetare.

În experimentul, realizat de fizicianul Benjamin Huard și colegii săi, demonul extrage energie din sistem, un circuit minuscul realizat din metal supraconductor, care poate transporta electricitate fără rezistență. Lumina reglată la o anumită frecvență face ca sistemul să treacă de la o stare de energie scăzută la o stare de energie înaltă sau invers, absorbind sau emițând un foton sau o particulă de lumină în acest proces. Demonul – o cavitate supraconductoare în care microundele sar înainte și înapoi – manipulează sistemul pentru a se asigura că energia poate fi drenată din sistem, dar nu absorbită, permițând demonului să capteze energia eliberată.

Dacă sistemul se află în starea de înaltă energie, demonul permite sistemului să scadă la energie mai scăzută, în acest proces scuipând un foton, pe care demonul îl poate recolta pentru energie. Dar dacă sistemul este în stare de energie scăzută, demonul îl împiedică să absoarbă fotonii. Rezultatul net: energia este sapata din circuit. Dar, spune Huard, de la École Normale Supérieure de Lyon din Franța, „informațiile pe care demonul le învață despre sistem sunt codificate în memoria sa”.

Cercetătorii au sondat această memorie printr-un proces numit tomografie cuantică – ceea ce înseamnă că au repetat experimentul de multe ori și au catalogat starea memoriei. Rezultatele au arătat că, așa cum era de așteptat, demonul a păstrat informațiile despre starea energetică în care se afla sistemul.

Pe lângă citirea minții demonului, cercetătorii au măsurat munca extrasă din sistem într-un mod mai direct decât experimentele anterioare. „Aceasta este o caracteristică nouă a acestei implementări”, spune Roberto Serra de la Universitatea Federală ABC din Santo André, Sao Paulo, Brazilia. „Această lucrare este un experiment foarte frumos.”

În schema lui Huard, spre deosebire de unele experimente anterioare, demonul și sistemul funcționează ambele la nivel cuantic. În timp ce regulile termodinamicii au fost înțelese inițial doar pentru sisteme mari, cum ar fi motoarele cu abur, oamenii de știință speră acum că înțelegerea modului în care regulile se traduc la scară mică ar putea duce într-o zi la proiecte pentru mașini cuantice mai eficiente (SN: 19.3.16, str. 18).