의 허가로 재 인쇄되었습니다 Quanta 잡지의 추상화 블로그.
우주는 장애에 베팅합니다. 예를 들어, 수영장에 붉은 염료를 내리는 것을 상상해보십시오. 이 염료 분자는 모두 물 전체에 천천히 퍼질 것입니다.
물리학 자들은 염료 분자를 배열 할 수있는 가능한 방법의 수를 계산함으로써 이러한 확산 경향을 정량화합니다. 분자가 골무에 붐비는 상태가 하나 있습니다. 예를 들어, 분자가 수영장의 바닥에 깔끔한 덩어리에 정착하는 곳이 있습니다. 그러나 분자가 물 전체에 다른 방식으로 퍼지는 수십억 개의 순열이 있습니다. 우주가 가능한 모든 상태에서 무작위로 선택한다면, 당신은 그것이 방대한 무질서한 가능성 중 하나로 끝날 것이라고 내기 할 수 있습니다.
.이런 식으로 볼 때, 열역학 제 2 차 법칙에 의해 정량화 된 엔트로피 또는 장애의 무질서한 상승은 거의 수학적 확실성을 취합니다. 물론 물리학 자들은 끊임없이 그것을 깨려고 노력하고 있습니다.
하나는 거의했습니다. 1867 년 스코틀랜드 물리학 자 제임스 서기 맥스웰 (James Clerk Maxwell)이 고안 한 사고 실험은 115 년 동안 과학자들을 막았다. 그리고 해결책이 발견 된 후에도 물리학 자들은“Maxwell 's Demon”을 계속 사용하여 우주의 법칙을 그들의 한계로 밀어 붙였습니다.
사고 실험에서 Maxwell은 작은 문으로 벽을 세우고 가스로 가득 찬 방을 두 개의 구획으로 나누는 것을 상상했습니다. 모든 가스와 마찬가지로 이것은 개별 입자로 만들어집니다. 입자의 평균 속도는 가스의 온도에 해당합니다. 그러나 언제라도 일부 입자는 다른 입자보다 느리게 움직일 것입니다.
이라면, 맥스웰 (Maxwell)은 작은 가상의 생물 (나중에 부름을받은 악마)을 문에서 제안한다면 어떨까요? 왼쪽에서 빠르게 움직이는 입자가 다가오는 것을 볼 때마다 문을 열고 오른쪽 구획으로 넣었습니다. 그리고 느리게 움직이는 입자가 오른쪽에서 접근 할 때마다 악마는 왼쪽 구획으로 들어갔다.
얼마 후, 왼쪽 구획은 느리고 차가운 입자로 가득 차 있으며 오른쪽 구획은 뜨겁습니다. 이 분리 된 시스템은 두 개의 구별 가능한 구획이 두 개의 동일한 구획보다 더 많은 순서를 가지고 있기 때문에 더 질서 정연하게 성장하는 것처럼 보일 것입니다. Maxwell은 엔트로피의 부상을 무시하고 우주의 법칙을 무시하는 시스템을 만들었습니다.
King 's College London의 물리학자인 Laia Delgado Callico는“그는 엔트로피가 줄어드는 시스템을 증명하려고 노력했습니다. “역설입니다.”
맥스웰의 악마를 해결하는 데 두 가지 발전이 중요합니다. 첫 번째는 미국 수학자 클로드 섀넌 (Claude Shannon)이 정보 이론의 창시자로 여겨졌다. 1948 년 Shannon은 메시지의 정보 내용이 정보 엔트로피라고 불리는 것으로 정량화 될 수 있음을 보여주었습니다. 도쿄 대학교의 물리학 자 타카히로 사가와 (Takahiro Sagawa)는“19 세기에는 아무도 정보에 대해 알지 못했다”고 말했다. “Maxwell의 악마에 대한 현대의 이해는 Shannon의 작품에 의해 확립되었습니다.”
.퍼즐의 두 번째 중요한 부분은 삭제의 원리였습니다. 1961 년 독일 미국인 물리학 자 Rolf Landauer는 메모리에서 정보를 지우는 것과 같은 논리적으로 돌이킬 수없는 계산이 환경으로 덤프 된 열로 전환 된 최소한의 비전이 발생하고 엔트로피의 상응하는 상승을 초래할 것이라고 보여 주었다. Landauer의 삭제 원칙은 정보와 열역학 사이의 무관심 연결을 제공했습니다. “정보는 물리적입니다.”그는 나중에 선포했다.
1982 년 미국 물리학 자 찰스 베넷은 퍼즐 조각을 모았습니다. 그는 Maxwell의 악마가 핵심 정보 가공 기계라는 것을 깨달았습니다. 문을 열고 닫을시기를 결정하기 위해 개별 입자에 대한 정보를 기록하고 저장해야했습니다. 주기적 으로이 정보를 지우아야합니다. Landauer의 삭제 원리에 따르면, 삭제로 인한 엔트로피의 상승은 입자의 분류로 인한 엔트로피의 감소를 보상하는 것 이상의 것입니다. 비엔나의 양자 광학 및 양자 정보 연구소의 물리학자인 Gonzalo Manzano는“지불해야합니다. 더 많은 정보를 얻기 위해 악마의 장애가 발생할 필요가 없었습니다.
그런 다음 21 세기에 사고 실험이 해결되면서 실제 실험이 시작되었습니다. Sagawa는“가장 중요한 발전은 이제 우리는 실험실에서 맥스웰의 악마를 깨달을 수 있다는 것입니다.
2007 년 과학자들은 가벼운 구동 게이트를 사용하여 맥스웰의 악마에 대한 아이디어를 보여주었습니다. 2010 년에 또 다른 팀은 악마의 정보에 의해 생성 된 에너지를 사용하여 구슬 오르막길을 동축시켜주는 방법을 고안했습니다. 그리고 2016 년 과학자들은 맥스웰 악마라는 아이디어를 가스가 아니라 빛을 포함하는 두 구획에 적용했습니다.
옥스포드 대학교의 물리학 자이자 연구 공동 저자 중 한 명인 Vlatko Vedral은“우리는 물질과 빛의 역할을 전환했습니다. 연구원들은 궁극적으로 매우 작은 배터리를 충전 할 수있었습니다.
다른 사람들은 유사한 시스템에서 유용한 작업을 추출하기 위해 정보를 사용하는 방법이 덜 까다로울 수 있는지 궁금했습니다. 그리고 2021 년 2 월에 실험 한 연구는 물리 검토 편지 에 발표되었습니다 그렇게 할 방법을 찾은 것 같습니다. 이 작품은 악마를 도박꾼으로 만듭니다.
Manzano가 이끄는이 팀은 Maxwell의 악마와 같은 것을 구현할 수있는 방법이 있지만 정보 요구 사항이 없는지 궁금했습니다. 그들은 이전과 같이 문이있는 2 개의 구획 시스템을 상상했습니다. 그러나이 경우 문은 그 자체로 열리고 닫을 것입니다. 때로는 입자가 무작위로 더 뜨겁고 차가운 구획으로 분리됩니다. 악마는이 과정을보고 시스템을 끄는시기를 결정할 수있었습니다. 이론적 으로이 과정은 작은 온도 불균형을 만들 수 있으며, 따라서 악마가 실험을 끝내고 온도 불균형을 잠그는시기에 대해 똑똑하다면, 핫 스트레이크의 스마트 휘장이 테이블을 떠날시기를 알고있는 것처럼 유용한 열 엔진을 만들 수 있습니다. 연구의 공동 저자 인 이탈리아의 이론적 물리학 센터의 물리학 자 엘거 롤칸 (Edgar Roldán)은“룰렛 테이블에서 밤새 플레이하거나 100 달러를 이길 수 있다면 멈출 수있다”고 말했다. “우리는 Maxwell의 악마와 같은 복잡한 장치가 제 2 법에서 작업을 추출 할 필요가 없다고 말합니다. 우리는 더 편안 할 수 있습니다.” 그런 다음 연구원들은 나노 전자 장치에서 이러한 도박 악마를 구현하여 가능하다는 것을 보여주었습니다.
이와 같은 아이디어는 냉장고와 같은보다 효율적인 열 시스템을 설계하거나 더 고급 컴퓨터 칩을 개발하는 데 유용 할 수 있으며, 이는 Landauer의 원칙에 의해 지시 된 기본 한계에 접근 할 수 있습니다.
.그러나 당분간, 우리의 우주의 법칙은 가장 위대한 조사를 받더라도 안전합니다. 바뀌었던 것은 우주의 정보에 대한 우리의 이해이며, 맥스웰의 악마에 대한 우리의 감사, 먼저 번거로운 역설, 그리고 이제는 귀중한 개념, 즉 물리적 세계와 정보 사이의 놀라운 연관성을 밝히는 데 도움이 된 것입니다.
.Jonathan O'Callaghan은 런던에있는 프리랜서 공간 및 과학 기자입니다. 그는 를 포함한 여러 간행물을 위해 정기적으로 글을 씁니다 뉴욕 타임즈 , Scientific American , 새로운 과학자, 포브스, 및 유선 . 그의 작품을 더 많이 읽거나 에 연락 할 수 있습니다. Jonathanocallaghan.com 또는 트위터에서 그를 찾으십시오 @astro_jonny .
