השד של מקסוול

"השד של מקסוול" הוא רעיון שבו יצור קטן או מכונה חכמה פותח ומסגר חריר בין שני תאים במכל גז. לפי הרעיון, השדון מאפשר למולקולות מהירות לעבור לכיוון אחד ואיטיות לכיוון השני. כך נוצר מצב שבו תא אחד מתחמם והשני מתקרר, מבלי להשקיע עבודה, וזה נראה כסתירה לחוק השני של התרמודינמיקה, החוק שאומר שחום נע בדרך כלל מאזורים חמים לקור ושהאנטרופיה (מידת הבלאגן של המערכת) נוטה לגדול.

הפתרון הבסיסי הוא לזכור שהשדון שייך למערכת. כדי להחליט מתי לפתוח את החריר, השדון צריך למדוד את המיקום והמהירות של המולקולות. מדידה ושמירת המידע מוסיפות אנטרופיה, כלומר יוצרות בלאגן נוסף במערכת. לאון ברילואן הראה ב-1951 שמדידה כזו מוסיפה תרומה קבועה לאנטרופיה, וכך צמיחת האנטרופיה הכוללת מפצה על ההקטנה שבגז. בצורה דומה, אפשר לחשוב על השדון כמזגן קטן הפועל על סוללות: המזגן מקרר את המכל, אך סוללותיו מתחממות ובסופו של דבר המערכת הכוללת לא מורידה את האנטרופיה.

ב-1929 הציע לאו סילארד מודל פשוט שבו מולקולה אחת בתוך מכל חצוי מאפשרת להפיק עבודה אם יודעים היכן היא נמצאת. המודל קישר מידע על המערכת ליכולת להפיק עבודה, והוביל לרעיונות חשובים על המחיר האנרגטי של חישוב. רעיונות אלה השפיעו על עבודתו של רולף לנדאור, שהראה שקישור בין חישוב לחום קובע גבולות אנרגטיים, וכן על צ'ארלס בנט שחקר את עלות אתחול הביטים של זיכרון.

ניסויים מודרניים בדקו מימושים של רעיון השדון בעזרת אטומי קור. מרק רייזן וקבוצתו הראו מערכת שבה מחיצה חד-כיוונית מפרידה אטומים לפי אנרגיה או איזוטופ, ובכל מעבר מתרחש פיזור של פוטון. פיזור זה מגביר את אנטרופיית שדה הקרינה ומאזן את הירידה באנטרופיה של האטומים. ניסויים כאלו מראים איך התהליך הכפול של איסוף מידע ופיזור אנרגיה שומר על החוק השני במציאות.

מקסוול דמיין יצור קטן שמפתח דלת בין שני חלקים של מכל עם גז. היצור פותח את הדלת רק למולקולות מהירות מצד אחד. כך אחד הצדדים מתחמם והשני מתקרר. זה נראה כמו שבור את החוק שאומר שחום הולך מטמפרטורה גבוהה לנמוכה.

המפתח הוא שהשדון צריך לבדוק את המולקולות. בדיקה זו יוצרת "בלאגן" נוסף. המילה אנטרופיה היא מדד לבלאגן. כשמחשבים גם את הבלאגן של השדון, הכול נשאר תקין. אפשר לחשוב על זה כמו מזגן קטן עם סוללות. המזגן מקרר, אבל הסוללות מתחממות.

סילארד חשב על מנוע פשוט עם מולקולה אחת. אם יודעים היכן היא, אפשר להפיק עבודה. זה מראה שקבלת מידע יכולה לעזור להפיק אנרגיה.

מדענים בנו גרסאות עם אטומים קרים. מרק רייזן הראה שאטומים שעוברים דרך מחיצה פולטים פוטונים. האור הזה מעלה את הבלאגן ומאזן את השינוי במכל.