Демон извлекает работу из информации

Демон извлекает работу из информации

Рис. 9.9. Демон Максвелла и его изобретатель в молодости. Демон контролирует отверстие в перегородке, закрывая и открывая его в зависимости от скорости приближающихся к нему молекул с целью собрать в левой половине более быстрые. Четыре случая слева внизу: быстрая молекула остается слева, медленная молекула уходит направо, медленная молекула остается справа, быстрая молекула уходит налево

Осмотрительно интересуясь молекулами по одной за один раз, чтобы избежать информационной катастрофы, демон фактически собирается «восстановить» небольшую часть знания о молекулах, от которого мы отказались; а сократить незнание почти буквально и означает уменьшить энтропию. Минималистский вариант демона, делающий многие вопросы яснее или, во всяком случае, острее, предложил Сцилард[184]: одна молекула в коробке, находящейся в тепловом контакте со средой; тепловой контакт означает, что стенки могут «пнуть» молекулу сильнее или слабее, и она может приобрести или отдать некоторую энергию в результате каждого пинка; в среднем же молекула имеет ту самую энергию движения 3/2k_BT, которую полагается иметь при заданной температуре среды. Молекула летает «как получится» и не собирается систематически толкать какой-нибудь поршень туда, куда мы пожелаем. Демоническая схема состоит в том, чтобы «обмануть систему» на основе знания. В середину коробки вносится подвижная перегородка, которая присоединяется к механизму (например, лебедке) одним из двух способов в зависимости от того, где оказалась молекула после внесения перегородки: в левой или правой половине, как показано на рис. 9.10. Знание относится именно к тому, в какой половине коробки оказалась молекула. Это знание содержит ровно один бит информации (скажем, значение 0, если слева, и 1, если справа). После того как перегородка внесена, молекула, возможно, не сразу, но дотолкает ее до крайнего положения и тем самым совершит работу (поднимет груз). Затем перегородку вынимают и процесс повторяется. Молекула постоянно подпитывается энергией из-за контакта со стенками, а знание требуется для того, чтобы превратить эту энергию в работу.

Рис. 9.10. Двигатель Сциларда. По строкам сверху вниз: (1) одна молекула в коробке в тепловом контакте со стенками; (2) в момент внесения перегородки молекула может оказаться в правой или левой половине; (3) на основе информации о нахождении молекулы совершается выбор типа «0 или 1»: подсоединить механизм (например, лебедку) с одной или другой стороны коробки, чтобы молекула, сдвигая перегородку до упора, совершала полезную работу; (4) после завершения движения перегородка убирается; (5) система возвращается в исходное состояние «одна молекула в целой коробке в тепловом контакте со стенками».