Conoces la entropía, pero ¿conoces los demonios?
Hay cuatro bestias en física, la tortuga de Zenón, la bestia de Laplace, el demonio de Maxwell y el gato de Schrödinger, que corresponden respectivamente al cálculo, la mecánica clásica, la segunda ley de la termodinámica y la mecánica cuántica.
Este artículo te llevará al mundo del Demonio de Maxwell.
Los físicos comenzaron a discutir la entropía en términos de estados microscópicos y estados macroscópicos. Un estado macroscópico podría ser que todos los gases estén concentrados en la mitad superior de un recipiente cerrado, y el estado microscópico correspondiente podrían ser todas las combinaciones posibles de las posiciones y velocidades de todas las partículas. De esta manera, la entropía se convierte en el equivalente físico de la probabilidad: la entropía de un macroestado dado es el logaritmo del número de microestados que le corresponden. Por tanto, la segunda ley de la termodinámica revela la tendencia del universo a evolucionar desde un estado macroscópico con menor probabilidad (orden) a un estado macroscópico con mayor probabilidad (desorden).
Sin embargo, sigue siendo desconcertante atribuir un fenómeno físico tan importante a la mera probabilidad. ¿Es realmente correcto decir que la física permite por completo que los gases mezclados se separen espontáneamente en partes frías y calientes, pero esto no sucederá solo debido a las estadísticas de probabilidad? Maxwell propuso un experimento mental para ilustrar este dilema. Imaginemos "un ser finito" controlando un pequeño agujero en el tabique que separa un contenedor cerrado. Puede ver claramente las moléculas voladoras, juzgar qué tan rápido se mueven y elegir si las deja pasar. De esta forma, se cambia la probabilidad original. Al examinar moléculas más rápidas y más lentas, puede hacer que A sea más caliente y B más frío, y al hacerlo, "no se requiere trabajo, sólo un ser ágil ejerciendo su inteligencia". Semejante existencia desafía la probabilidad ordinaria. A menudo se mezclan cosas diferentes entre sí. Pero para filtrarlos, necesitas información.
A Thomson le gustó tanto la idea que llamó a este demonio existencial imaginario: "el demonio de la inteligencia de Maxwell", "el demonio de detección de Maxwell" y luego simplemente "el demonio de Maxwell". En una conferencia nocturna en la Royal Society, Thomson describió vívidamente a este pequeño: "¡Es simplemente diferente de los animales comunes! Es activo, pequeño y extremadamente ágil. Con la ayuda de tubos de ensayo con líquidos de colores, demostró lo aparentemente". proceso de difusión irreversible y afirmó que sólo el diablo podría revertir el proceso:
Este diablo podría ver cosas que nosotros no podemos ver. Después de todo, somos demasiado grandes y demasiado lentos. Específicamente, se puede ver que la segunda ley de la termodinámica sólo es cierta en un sentido estadístico y no está determinada por alguna razón física. De hecho, a nivel molecular, esta ley se violará al azar. Y este demonio reemplaza esta aleatoriedad con un comportamiento decidido. Reduce la entropía de la información. Maxwell nunca imaginó que sus demonios se extenderían tanto y durarían tanto. El historiador estadounidense Henry Adams incluso intentó incorporar el concepto de entropía a su teoría de la historia. En 1903, escribió en una carta a su hermano Brooks: "El hombre es como un átomo, y el demonio de Maxwell que controla la segunda ley de la termodinámica debería ser el presidente". una puerta que separa de la materia. La puerta de entrada al mundo de la información.
Este poder demoníaco provoca mucha envidia en los científicos, y su imagen de dibujos animados aparece a menudo en revistas de física para animar las páginas. Aunque en realidad es una cosa de ficción, siempre se ha pensado que el átomo en sí es una ficción, un demonio que podría domesticarlo. Las leyes de la naturaleza parecen irresistibles, pero este demonio puede violarlas. Es como un ladrón manipulando moléculas para abrir cerraduras. El matemático francés Henri Poincaré escribió: "Sólo un ser con sentidos infinitamente agudos como el Demonio de Maxwell puede solucionar este desastre y revertir la tendencia irreversible del universo".
Con la ayuda de microscopios superiores a los del pasado, los científicos comenzaron a estudiar el proceso de selección activa de las membranas celulares a principios del siglo XX. Descubrieron que las células vivas absorben y filtran sustancias externas a través de sus membranas celulares y las procesan internamente. Varios procesos con propósito parecen estar operando constantemente a nivel microscópico.
Entonces, ¿quién o qué tiene el control de todo esto?
La respuesta parece estar en la vida misma. En 1914, el biólogo británico James Johnstone enfatizó que "no podemos introducir el demonismo en la ciencia". Señala que en física las moléculas individuales todavía están fuera de nuestro control. "Sus movimientos y sus trayectorias carecen de coordinación, lo que se puede decir que es un 'caos'. Por eso la física sólo considera la velocidad media en un sentido estadístico". Por eso los fenómenos físicos son irreversibles, "por eso el demonio de Maxwell no existe en el post- ciencia" . ¿Qué pasa con la vida? ¿Qué pasa con la fisiología? Johnstone propuso además que los procesos de la vida en la Tierra, en su conjunto, son reversibles. "Por lo tanto, debemos buscar pruebas de que los seres vivos pueden controlar el movimiento descoordinado de las moléculas individuales."
Dado que la vida sigue siendo tan misteriosa, quizás el demonio de Maxwell no sólo exista en los cómics.
Más tarde, el demonio de Maxwell empezó a perseguir a un jovencísimo físico húngaro, Leo Zilat. Se trataba de una figura muy imaginativa. Posteriormente propuso ideas como el microscopio electrónico, la reacción nuclear en cadena, el acelerador lineal y el ciclotrón. Su maestro más famoso, Albert Einstein, intentó convencerlo de que postulara para un puesto en la oficina de patentes, pero afortunadamente no escuchó.
En la década de 1920, Zierath reflexionó sobre cómo debería abordar la termodinámica las interminables fluctuaciones de las moléculas. Como sugiere el nombre, las fluctuaciones son desviaciones de la media, como un pez que nada contra la corriente con altibajos. Naturalmente, uno se pregunta: ¿y si pudiéramos aprovechar esta volatilidad? Estas ideas son tan irresistibles que algunos incluso imaginan máquinas de movimiento perpetuo*: el santo grial de los fanfarrones caprichosos. Pero en realidad esa es solo otra forma de decir "por qué no puedes usar todo el calor".
El demonio de Maxwell también crea otra paradoja. En un sistema cerrado, para este demonio que puede distinguir entre moléculas rápidas y moléculas lentas y controlar su paso, equivale a tener una fuente inagotable de energía útil. ¿O no es este diablillo imaginario, sino otra "vida inteligente"? Por ejemplo, un físico experimental no necesita tener una habilidad especial para manipular moléculas individuales: "Si pensamos en este experimentador como una especie de salvador, él puede comprender con precisión el estado de la naturaleza existente en cualquier momento, y al alterar el tendencia de su estado macroscópico sin consumir trabajo, entonces una máquina de movimiento perpetuo es posible. Sin embargo, cada vez que se introduce la vida con un cerebro, el fenómeno biológico en sí causará problemas”. Zillard señaló: "La existencia del sistema nervioso depende de la disipación continua de energía". [Su amigo Carl Eckardt lo resumió concisamente: "El pensamiento genera entropía. Por lo tanto, Zillard en su experimento mental imagina un sistema termodinámico con gas". en un contenedor cilíndrico, donde la vida inteligente es reemplazada por un "dispositivo inanimado" que sólo necesita medir pequeñas cantidades de información. También señaló que tal dispositivo necesitaría tener "algún tipo de función de memoria" (el artículo se publicó en 1929, cuando Turing era todavía un adolescente pero, para usar la terminología que Turing propuso más tarde, Zirat veía la mente de Maxwell como una mente). Un ordenador con almacenamiento biestable.
Zillat demostró además que incluso una máquina de movimiento perpetuo está condenada al fracaso, y la clave es que la información no es gratuita. El conocimiento tácito está fácilmente disponible: el conocimiento sobre la velocidad y la velocidad. La trayectoria de las moléculas está delante del diablo. No tienen en cuenta que el acceso a esta información cuesta dinero, pero al fin y al cabo no pueden hacerlo con relativa facilidad. Para ellos, la información simplemente pertenece a otro universo paralelo. , otro mundo del alma, que no tiene nada que ver con el mundo compuesto de materia y energía, partículas y fuerzas que están tratando de estudiar.
Sin embargo, la información es tangible y cierra la brecha entre ellos. Realizó una transformación de información y energía con cada partícula que procesó (no usó la palabra información en ese momento) siempre que cada medida se calculara con precisión y la memoria, esta transformación también se puede calcular con precisión. Cada vez que se obtiene una unidad de información, siempre habrá un cierto aumento de entropía; concretamente, la entropía aumenta en 2 unidades cada vez. Para elegir entre partículas, se consume un bit de información al final de cada ciclo. la vieja memoria debe borrarse, la entropía aumenta (este último detalle no se indica explícitamente en el artículo, pero se usa en las matemáticas. Sólo cuando se tomen en consideración, la paradójica máquina de movimiento perpetuo no tendrá lugar y el universo). se restablecerá la armonía, "nuevamente de acuerdo con la segunda ley de la termodinámica".
Eso es todo, Larter completó el vínculo final de la idea de "la información es entropía" de Shannon, pero para Shannon, no entendía alemán. Y no prestó atención al "Journal of Physics". Más tarde recordó: "Creo que Zillard realmente estaba pensando en esta pregunta. Una vez se la planteó a von Neumann, y von Neumann probablemente se la planteó a Wiener, pero ellos no me habló de eso. "Shannon construyó la teoría matemática de la entropía desde cero.
Este artículo es una adaptación de "Una breve historia de la información".