O demônio de Maxwell é um experimento mental desenvolvido por James Clerk Maxwell em 1867, para sugerir que a segunda lei da termodinâmica é verdadeira apenas para as estatísticas . Esta lei estabelece a irreversibilidade dos fenômenos da física estatística e em particular das transferências térmicas , resultando em um aumento contínuo da entropia . Por exemplo, se deixarmos a porta de uma geladeira desligada aberta, a temperatura da geladeira e da sala se igualará, e isso irreversivelmente sem entrada de energia. No entanto, o experimento do demônio de Maxwell propõe um processo que permite retornar a um estado de temperatura desigual, sem gastar energia, e por entropia decrescente, o que é em princípio impossível de acordo com a segunda lei da termodinâmica.
Esse paradoxo gerou e ainda dá origem a um grande número de estudos e debates desde sua formulação em 1871. Por mais de meio século, seu estudo não progrediu tanto, até que Leó Szilárd propôs em 1929 um modelo físico de Maxwell. demônio tornando possível estudar o processo de forma precisa e formal.
Vinte anos depois, em 1949 , Léon Brillouin propôs uma solução para o paradoxo enfatizando a necessidade do demônio adquirir informações , e mostrando que essa aquisição aumenta a entropia do sistema e salva a segunda lei. Depois de ter sido adoptada por grande parte da comunidade científica, esta solução tem sido cada vez mais questionada, nomeadamente pelo estabelecimento de modelos de "demónios" automáticos, onde a aquisição de informação não desempenha um papel determinante. A ligação de Brillouin entre entropia e teoria da informação também foi criticada.
Uma nova virada ocorreu em 1961 , quando Rolf Landauer - seguido por Charles Bennett - destacou a importância da memorização de informações e principalmente a necessidade de apagar essa memória para realizar um ciclo termodinâmico completo. O apagamento da memória tendo um custo em entropia, isso restabelece o segundo princípio da termodinâmica.
Estudos mais modernos envolvendo versões quânticas do demônio de Maxwell, realizados em particular por Wojciech Hubert Zurek na década de 1980, confirmam o princípio de Landauer . No entanto, novos modelos de experimentos mentais desafiando o segundo princípio continuaram a ser propostos nos anos 2000, ou não exigindo o apagamento de informação, ou não usando o conceito de informação, ou mesmo demônio, mas tirando proveito de condições específicas como a não euclidiana geometrias , emaranhamento quântico ou campos de força.
O experimento do demônio de Maxwell consiste em uma caixa contendo um gás, com dois compartimentos (A e B) separados por uma porta P na escala molecular; um "demônio" comanda a porta. O funcionamento da porta não desperdiça energia. Maxwell presume, como as pessoas estavam começando a admitir na época, que o gás é feito de moléculas em movimento. O demônio é capaz de determinar a velocidade das moléculas e controlar a abertura ou fechamento da porta dependendo do estado das moléculas.
A partir daí, a experiência tem várias variações.
Em sua versão original, a temperatura é mais alta no compartimento B do que no compartimento A. No entanto, a temperatura é proporcional à velocidade quadrada média das moléculas. O demônio deixa passar do compartimento B para o compartimento A as moléculas de B mais lentamente que a velocidade média das moléculas do compartimento A, e deixa passar de A para B as moléculas de A mais rápido que a velocidade média das moléculas de B. Resultado: a temperatura em B aumentou enquanto a de A é reduzida: portanto, resfriamos uma fonte fria de uma fonte quente, o que a segunda lei da termodinâmica pretende proibir. A entropia total do sistema é, portanto, reduzida .
Em uma variante, o demônio abre a porta para as moléculas que querem entrar no primeiro compartimento (A), mas fecha a porta para as que querem sair. Assim, as moléculas passam espontaneamente, sem trabalho , de B para A. O demônio aumenta a energia dentro do compartimento A e diminui no compartimento B: isso seria possível usando a informação que o demônio possui. (Reconhecimento de moléculas e classificação nesta base) para transformar a energia cinética da agitação térmica em trabalho .
As duas situações são equivalentes, pois a passagem da situação final do primeiro experimento para a do segundo é fácil.
De acordo com o ponto de vista da maioria , esse levantamento foi realizado pelo físico Léon Brillouin .
O demônio, para tomar as decisões de deixar uma partícula passar ou devolvê-la, é obrigado a observá-la e, portanto, a utilizar as informações à sua disposição. A quantidade de informação que isso representa é mínima, mas se formos ao nível microscópico, com 10 23 vezes mais moléculas, a informação assim usada pelo demônio de Maxwell, que se presume não estar disponível para o observador macroscópico, é importante. A queda na entropia resultante do uso da informação acessível ao demônio corresponde então exatamente à diferença entre a informação acessível ao observador macroscópico e a informação acessível ao demônio. A impossibilidade, para o observador macroscópico, de fazer o mesmo que o demônio, portanto, depende da hipótese segundo a qual tomar a informação acessível ao demônio exigiria, para um observador macroscópico, degradar a energia mecânica em calor por uma quantidade perdida em pelo menos tanta informação (quantificada por entropia macroscópica) quanto o que a operação de aquisição de informação deve salvar.
Léon Brillouin da mesma forma levanta um paradoxo da mesma ordem, onde o demônio é substituído por uma simples roda dentada .
Por um argumento semelhante, encontramos um aumento na entropia e a segunda lei da termodinâmica é bem respeitada.
No entanto, é interessante resumir o argumento. O respeito ao segundo princípio da termodinâmica (grosso modo, a impossibilidade de transformar calor em trabalho durante um ciclo monotérmico) repousa no fato de que a quantidade máxima de informação que um observador pode ter sobre um sistema isolado (do qual faz parte) é necessariamente menor que a quantidade de informação necessária para caracterizar plenamente o estado microfísico do sistema menos o que lhe é inacessível , desde que se acrescente a hipótese de que essa quantidade de informação inacessível ao observador é necessariamente maior ou igual à macroscópica entropia do sistema isolado considerado. Pode-se questionar sobre o caráter do princípio físico ou o caráter tecnológico ao contrário desta limitação.