Il demone di Maxwell è un esperimento mentale ideato da James Clerk Maxwell nel 1867, per suggerire che la seconda legge della termodinamica è vera solo per le statistiche . Questa legge stabilisce l' irreversibilità dei fenomeni di fisica statistica ed in particolare dei trasferimenti termici , con conseguente aumento continuo dell'entropia . Ad esempio, se lasciamo aperta la porta di un frigorifero spento, la temperatura del frigorifero e della stanza si bilanciano, e questo in modo irreversibile senza input di energia. Tuttavia, l'esperimento del demone di Maxwell propone un processo che consente di tornare a uno stato di temperatura disuguale, senza spendere energia, e diminuendo l'entropia, cosa in linea di principio impossibile secondo la seconda legge della termodinamica.
Questo paradosso ha scatenato, e dà tuttora origine, a un gran numero di studi e dibattiti sin dalla sua formulazione nel 1871. Per più di mezzo secolo, il suo studio non ha progredito così tanto, fino a quando Leó Szilárd ha proposto nel 1929 un modello fisico di Maxwell demone che consente di studiare il processo in modo preciso e formale.
Vent'anni dopo, nel 1949 , Léon Brillouin propose una soluzione al paradosso sottolineando la necessità per il demone di acquisire informazioni e dimostrando che questa acquisizione aumenta l'entropia del sistema e salva la seconda legge. Dopo essere stata adottata dalla maggior parte della comunità scientifica, questa soluzione è stata sempre più messa in discussione, in particolare dall'istituzione di modelli di "demoni" automatici, dove l'acquisizione di informazioni non gioca un ruolo determinante. Anche il legame di Brillouin tra entropia e teoria dell'informazione è stato criticato.
Una nuova svolta avviene nel 1961 , quando Rolf Landauer - seguito da Charles Bennett - sottolinea l'importanza di memorizzare le informazioni e soprattutto la necessità di cancellare questa memoria per poter effettuare un ciclo termodinamico completo. La cancellazione della memoria avendo un costo in entropia, ristabilisce il secondo principio della termodinamica.
Studi più moderni che coinvolgono versioni quantistiche del demone di Maxwell, eseguiti in particolare da Wojciech Hubert Zurek negli anni '80, confermano il principio di Landauer . Tuttavia, nuovi modelli di esperimenti mentali che sfidano il secondo principio hanno continuato a essere proposti negli anni 2000, o non richiedendo la cancellazione delle informazioni, o non usando affatto il concetto di informazione, o addirittura demone, ma sfruttando condizioni specifiche come non euclidee. geometrie , entanglement quantistico o campi di forza.
L'esperimento del demone di Maxwell consiste in una scatola contenente un gas, con due compartimenti (A e B) separati da una porta P a scala molecolare; un "demone" comanda la porta. Il funzionamento della porta non spreca energia. Maxwell presume, come le persone cominciavano ad ammettere in quel momento, che il gas sia costituito da molecole in movimento. Il demone è in grado di determinare la velocità delle molecole e controlla l'apertura o la chiusura della porta a seconda dello stato delle molecole.
Da lì, l'esperienza ha diverse varianti.
Nella sua versione originale, la temperatura è più alta nello scomparto B che nello scomparto A. Tuttavia, la temperatura è proporzionale alla velocità quadratica media delle molecole. Il demone fa passare dal compartimento B al compartimento A le molecole di B più lente della velocità media delle molecole del compartimento A, e fa passare da A a B le molecole di A più veloci della velocità media delle molecole in B. Risultato: la temperatura in B è aumentata mentre quella di A si è ridotta: abbiamo quindi raffreddato una sorgente fredda da una sorgente calda, cosa che la seconda legge della termodinamica vuole vietare. L' entropia totale del sistema è quindi ridotta .
In una variante, il demone apre la porta alle molecole che vogliono entrare nel primo scomparto (A), ma chiude la porta a quelle che vogliono uscire. Così le molecole passano spontaneamente, senza lavoro , da B ad A. Il demone aumenta l' energia all'interno del compartimento A e la diminuisce nel compartimento B: sarebbe quindi possibile utilizzando le informazioni che il demone possiede. (Riconoscimento delle molecole e smistamento su questa base) per trasformare l'energia cinetica dell'agitazione termica in lavoro .
Le due situazioni si equivalgono, poiché il passaggio dalla situazione finale del primo esperimento a quella del secondo è facile.
Secondo un punto di vista largamente maggioritario , questo sollevamento è stato effettuato dal fisico Léon Brillouin .
Il demone, per prendere la decisione di lasciar passare una particella o rispedirla indietro, è obbligato ad osservarla, e quindi a utilizzare le informazioni a sua disposizione. La quantità di informazioni che questo rappresenta è minima, ma se andiamo al livello microscopico, con 10 23 volte più molecole, le informazioni così utilizzate dal demone di Maxwell, che si presume non siano disponibili dall'osservatore macroscopico, sono importanti. Il calo di entropia derivante dall'utilizzo di informazioni accessibili al demone corrisponde quindi esattamente alla differenza tra informazione accessibile all'osservatore macroscopico e informazione accessibile al demone. L'impossibilità, per l'osservatore macroscopico, di fare lo stesso del demone dipende quindi dall'ipotesi secondo la quale prendere l'informazione accessibile al demone richiederebbe, per un osservatore macroscopico, di degradare l'energia meccanica in calore per una quantità perdente a almeno tante informazioni (quantificate dall'entropia macroscopica) quanta ne dovrebbe risparmiare l'operazione di acquisizione delle informazioni.
Léon Brillouin solleva allo stesso modo un paradosso dello stesso ordine, in cui il demone è sostituito da una semplice ruota a cricchetto .
Con un argomento simile, troviamo un aumento dell'entropia e la seconda legge della termodinamica è ben rispettata.
Tuttavia, è interessante riassumere l'argomento. Il rispetto del secondo principio della termodinamica (grosso modo, l'impossibilità di trasformare il calore in lavoro durante un ciclo monotermico) si basa sul fatto che la quantità massima di informazioni che un osservatore può avere su un sistema isolato (di cui fa parte) è necessariamente inferiore alla quantità di informazione necessaria per caratterizzare appieno lo stato microfisico del sistema meno quella ad esso inaccessibile a condizione di aggiungere l'ipotesi secondo la quale questa quantità di informazione inaccessibile all'osservatore è necessariamente maggiore o uguale a quella macroscopica entropia del sistema isolato considerato. Ci si può interrogare sul carattere principale fisico o sul carattere tecnologico al contrario di questa limitazione.