엔트로피 증가 원리와 달리 도박꾼은 물질과 정보를 연결시킨다.

우주는 무질서를 좋아한다. 예를 들어, 수영장에 아주 적은 양의 빨간색 염료를 붓는 장면을 상상해 보십시오. 염료의 모든 분자가 서서히 풀 전체에 퍼집니다. 염료 분자가 배열될 수 있는 방법을 계산함으로써 물리학자들은 분자 확산의 추세를 수량화할 수 있다. 한 가지 가능한 상태는 모든 분자가 하나의 작은 집단으로 모이는 것이다. 또 다른 가능성은 모든 분자가 연못 바닥에 가지런히 가라앉는다는 것이다. 게다가, 이 분자들은 수많은 다른 배열로 수영장 전체에 분산될 수 있다. 우주가 이러한 모든 가능한 상태 중에서 무작위로 선택한다면, 최종 결과가 가능한 많은 무질서 상태 중 하나라는 것에 내기를 걸 수 있습니다.

따라서 열역학 제 2 법칙의 수량화의 필연적인 엔트로피 증가, 즉 무질서도의 증가는 수학적으로 거의 필연적인 것으로 보인다. 그래서 물리학자들은 항상 이 확실한 게임을 깨고 싶어했습니다.

한 사람이 하마터면 할 뻔했다. 스코틀랜드 물리학자 제임스 클라크 맥스웰이 1867 년에 구상한 한 한 사고 실험은 과학자들을 곤혹스럽게 했다 1 15 년. 답을 찾았음에도 불구하고 물리학자들은 맥스웰의 요괴를 이용해 우주 법칙의 한계에 도전하고 있다.

이 사고 실험에서 맥스웰은 작은 문이 있는 벽에 의해 두 개의 칸막이로 나누어진 기체가 가득한 방을 상상했다. 모든 가스와 마찬가지로, 이곳의 가스는 입자로 이루어져 있다. 입자 운동의 평균 속도는 기체의 온도에 해당한다. 입자가 빨리 움직일수록 기체 온도가 높아진다. 그러나 주어진 순간에 항상 다른 입자보다 느리게 움직이는 입자가 있습니다.

맥스웰은 허구의 작은 생물 (후손이' 악마' 라고 불림) 이 문 앞에 앉아 있으면 어떻게 될지 생각했다. 빠르게 움직이는 입자가 왼쪽에서 접근하는 것을 볼 때마다 문을 열어 입자가 오른쪽 칸막이로 들어가게 합니다. 천천히 움직이는 입자가 오른쪽에서 접근하면 악마가 왼쪽 칸막이로 들어가게 합니다.

잠시 후 왼쪽 칸막이는 느린' 차가운' 입자로 채워지고 오른쪽 칸막이는 매우 뜨거워집니다. 두 개의 분리 가능한 칸막이가 두 개의 동일한 칸막이보다 더 질서 정연하기 때문에 이 고립된 시스템은 차츰차츰 무질서하지 않고 질서 있게 될 것 같다. 맥스웰은 엔트로피 증가 원리를 위반하는 시스템을 만들어 우주의 법칙을 위반한 것 같다.

그는 엔트로피 감소 시스템의 존재를 증명하고 싶어한다. "런던 대학교 킹스쿨의 물리학자 알레 델가도 칼리코가 말했다. "이것은 역설이다. 클릭합니다

다음 두 가지 발전은 맥스웰의 요괴를 해결하는 데 매우 중요하다. 미국 수학자 클로드 향농에서 온 첫 번째는 정보론의 창시자로 여겨진다. 1948 에서 향농은 한 메시지의 정보량을' 정보 엔트로피' 라는 개념으로 수량화할 수 있다는 것을 증명했다. 도쿄 대학의 물리학자인 다사키 경호 사천은 "19 세기에는 정보가 무엇인지 아무도 모른다" 고 말했다. "이제 맥스웰의 요괴에 대한 우리의 이해는 향농의 일에 기반을 두고 있다."

이 난제를 해결하는 두 번째 중요한 난제는 랑도 원리이다. 196 1 에서 롤프 랜달은 메모리에서 정보를 지우는 것과 같이 논리적으로 되돌릴 수 없는 모든 작업으로 인해 소량의 0 이 아닌 작업이 열 소산으로 변환되어 엔트로피가 증가할 수 있다고 제안했습니다. 롱도르의 정보 삭제 원리는 정보를 열역학과 연결시킨다. 그는 나중에 "정보는 일종의 물리적 실체이다. 클릭합니다

1982 년, 미국 물리학자 찰스 베넷은 이 수수께끼를 한데 모았다. 그는 맥스웰의 요괴가 본질적으로 정보 처리 기계라는 것을 깨달았다. 즉, 문을 열고 닫을 시기를 결정하기 위해 개별 입자에 대한 정보를 기록하고 저장해야 한다. 또한 정기적으로 이 정보를 지워야 합니다. 롱도르의 원리에 따르면 정보 삭제로 인한 엔트로피 증가는 입자 분류로 인한 엔트로피 감소보다 클 수 있습니다. "당신은 약간의 대가를 치러야 합니다. 클릭합니다 비엔나 양자광학과 양자정보연구소의 물리학자인 곤살로 만사노는 이렇게 말합니다. 요괴는 더 많은 정보를 수용할 공간을 마련해야 하는데, 필연적으로 무질서한 순 증가로 이어질 것이다.

2 1 세기가 되자 사고 실험의 문제가 해결되었지만 현실 세계의 실험이 시작되었다. 가장 중요한 발전은 우리가 지금 실험실에서 맥스웰의 요괴를 실현할 수 있다는 것이다. "제홍이 말했다.

2007 년에 과학자들은 맥스웰 요괴의 생각을 이용하여 빛에 의해 구동되는 골키퍼를 현실 세계에 선보였다. 20 10 또 다른 팀은 맥스웰의 요괴 정보의 에너지를 이용하여 구슬 하나를' 유혹' 할 수 있는 방법을 설계했다. 20 16 년, 과학자들은 가스보다는 빛이 든 두 개의 작은 방에 맥스웰의 요괴의 사상을 적용했다.

"우리는 물질과 빛의 역할을 바꿨다." 옥스포드 대학의 물리학자이자 이 연구의 공동 저자 중 한 명인 블라테코 웨이드랄이 말했다. 연구원들은 결국 아주 작은 배터리를 충전하는 데 성공했다.

또 다른 과학자들은 그들이 덜 힘들이지 않은 방식으로 정보를 사용하여 비슷한 시스템에서 유용한 직업을 얻을 수 있을지 고민하고 있다. (윌리엄 셰익스피어, 템페스트, 과학명언) 지난 2 월' 물리평론익스프레스' 에 발표된 한 연구는 이런 방법을 찾은 것 같다. 이 작품은' 요괴' 를' 도박꾼' 으로 만들었다.

Manzano 가 이끄는 이 팀은 정보 없이 맥스웰의 요괴와 같은 기능을 실현할 수 있는 방법이 있는지 궁금했다. 이전과 마찬가지로, 그들은 방 두 개와 문 하나가 있는 시스템을 상상했다. 하지만 이 방안에서는 문이 스스로 전환됩니다. 경우에 따라 입자가 무작위로 분리되어 한 방은 더 뜨거워지고 다른 실은 더 추워집니다. 이' 작은 악마' 는 이 과정을 보고 언제 시스템을 끄는지 결정할 수밖에 없다. 이론적으로, 이 과정은 경미한 온도 불균형을 초래할 수 있다. 이 작은 악마가 충분히 똑똑하다면, 실험이 끝나고 온도가 불균형할 때를 알면 (운이 좋은 똑똑한 도박꾼이 도박장을 떠날 때를 아는 것처럼), 그는 유용한 열기기를 얻게 될 것이다. (윌리엄 셰익스피어, 햄릿, 지혜명언)

"룰렛 테이블에서 밤새 놀 수도 있고, 65,438+000 달러를 벌어서 멈출 수도 있습니다." 이 연구의 공동 저자인 에드가 롤담 (Edgar Roldam) 은 이탈리아 국제 이론 물리학 센터의 물리학자 (? Dgar roldbain) 는 "우리가 표현하고자하는 것은 열역학의 두 번째 법칙에 언급 된 작업을 얻기 위해 맥스웰의 악마처럼 복잡한 장치가 필요하지 않다는 것입니다. 우리는 더 긴장을 풀 수 있다. " 연구원들은 나노 전자기기에서 이런' 도박꾼 악마' 를 실현해 이것이 가능하다는 것을 설명했다.

이러한 아이디어는 냉장고와 같은 보다 효율적인 열 시스템을 설계하는 데 도움이 될 수 있으며, 심지어 더 진보된 컴퓨터 칩을 개발하는 데도 도움이 될 수 있으며, 이러한 칩은 롱도 원리로 결정된 기본 한계에 근접할 수 있습니다.

그러나, 가장 엄격한 검열에도 불구하고, 우리의 우주 법칙은 잠시 안전하다. 변화는 우주의 정보에 대한 우리의 이해와 맥스웰의 요괴에 대한 감상이다. 처음엔 얄미운 역설이었지만, 이제는 물질 세계와 정보 사이의 기묘한 관계를 발견하는 데 도움이 되는 가치 있는 개념이 되었다.

조나단 오카라한이 쓴 것입니다.

번역: 이시연

수정: 우피

원본 링크:

Https://www.quantamagazine.org/how-maxwells-demon-continues-to-scare-scientists-

관련 연구:

Https://journals.aps.org/PRL/abstract/10.11;