許可を得て転載 Quanta Magazine の Abstractions ブログ。
宇宙は無秩序に賭ける。たとえば、指ぬき一杯の赤い染料をプールに落としたとします。これらの染料分子はすべて、水全体にゆっくりと広がります.
物理学者は、染料分子が配置できる可能な方法の数を数えることによって、この拡散傾向を定量化します。分子が指ぬきに密集している状態が 1 つあります。たとえば、分子がプールの底できちんとした塊に落ち着く場所もあります。しかし、分子が水全体にさまざまな方法で広がる無数の数十億の順列があります.宇宙がすべての可能な状態から無作為に選択する場合、無秩序な可能性の膨大なセットの 1 つに終わることに賭けることができます.
このように見ると、熱力学の第 2 法則によって定量化されるエントロピーまたは無秩序の容赦ない上昇は、ほぼ数学的に確実なものとなります。もちろん、物理学者は常にそれを破ろうとしています.
1つはほとんどそうでした。 1867 年にスコットランドの物理学者ジェームズ クラーク マクスウェルが考案した思考実験は、科学者を 115 年間悩ませてきました。解決策が見つかった後も、物理学者は「マクスウェルの悪魔」を使用して宇宙の法則を限界まで押し上げ続けています。
思考実験でマクスウェルは、ガスで満たされた部屋を、小さなドアのある壁を立てて 2 つの区画に分割することを想像しました。すべてのガスと同様に、これは個々の粒子でできています。粒子の平均速度はガスの温度に対応し、速いほど高温になります。しかし、いつでも、一部の粒子は他の粒子よりもゆっくりと移動します。
想像上の小さな生き物、後に悪魔と呼ばれるマクスウェルがドアに座っていたらどうなるでしょうか。高速で移動する粒子が左側から近づいてくるのを見るたびに、ドアを開けて右側のコンパートメントに入れました。そして、動きの遅い粒子が右側から近づくたびに、悪魔はそれを左側のコンパートメントに入れました.
しばらくすると、左側のコンパートメントは低速の冷たい粒子でいっぱいになり、右側のコンパートメントは熱くなります。この孤立したシステムは、2 つの区別可能なコンパートメントが 2 つの同一のコンパートメントよりも秩序立っているため、整然と成長しているように見えます。マクスウェルは、エントロピーの上昇、ひいては宇宙の法則に逆らうように見えるシステムを作成しました.
「彼は、エントロピーが減少するシステムを証明しようとしました」と、キングス カレッジ ロンドンの物理学者、ライア デルガド カリコは言いました。 「これはパラドックスです。」
マクスウェルの悪魔を解決するには、2 つの進歩が不可欠です。 1 つ目は、情報理論の創始者と見なされているアメリカの数学者クロード シャノンによるものです。 1948 年、シャノンは、メッセージの情報内容を彼が情報エントロピーと呼んだもので定量化できることを示しました。 「19 世紀には、誰も情報について知りませんでした」と、東京大学の物理学者である佐川隆宏氏は述べています。 「マクスウェルの悪魔に対する現代の理解は、シャノンの研究によって確立されました。」
パズルの 2 番目の重要なピースは、消去の原則でした。 1961 年、ドイツ系アメリカ人の物理学者ロルフ・ランダウアーは、メモリからの情報の消去など、論理的に不可逆的な計算を行うと、最小限の非ゼロ量の作業が環境に放出される熱に変換され、それに対応してエントロピーが上昇することを示しました。ランダウアーの消去原理は、情報と熱力学の間の興味をそそるリンクを提供しました。 「情報は物理的なものです」と彼は後に宣言しました。
1982 年、アメリカの物理学者チャールズ ベネットがパズルのピースを組み合わせました。彼は、マクスウェルの悪魔の核心は情報処理マシンであることに気付きました。ドアを開閉するタイミングを決定するために、個々の粒子に関する情報を記録して保存する必要がありました。定期的にこの情報を消去する必要があります。ランダウアーの消去原理によれば、消去によるエントロピーの上昇は、粒子の選別によるエントロピーの減少を補う以上のものです。ウィーンの量子光学・量子情報研究所の物理学者であるゴンザロ・マンザーノ氏は、「支払う必要があります。より多くの情報のための余地を作るという悪魔の必要性は、容赦なく無秩序の純増加につながりました.
そして21世紀になって、思考実験が解けたので、本当の実験が始まりました。 「最も重要な進展は、マクスウェルの悪魔を実験室で実現できるようになったことです」と佐川氏は述べています。
2007 年、科学者は光を動力源とするゲートを使用して、マクスウェルの悪魔が動作しているというアイデアを実証しました。 2010 年に別のチームが、悪魔の情報によって生成されたエネルギーを使用してビーズを上り坂に誘導する方法を考案しました。そして 2016 年に、科学者はマクスウェルの悪魔の考えを、ガスではなく光を含む 2 つのコンパートメントに適用しました。
オックスフォード大学の物理学者で、この研究の共著者の 1 人である Vlatko Vedral 氏は、次のように述べています。研究者たちは最終的に、非常に小さなバッテリーを充電することができました。
他の人は、同様のシステムから有用な作業を抽出するために情報を使用するためのより簡単な方法があるのではないかと考えました. 2021 年 2 月に Physical Review Letters で発表された研究 そうする方法を見つけたようです。その仕事は悪魔をギャンブラーにします。
Manzano が率いるチームは、マクスウェルの悪魔のようなものを実装する方法があるかどうかを疑問に思いましたが、情報要件はありませんでした。彼らは、以前と同じように、ドア付きの 2 つのコンパートメント システムを想像しました。しかし、この場合、ドアは勝手に開閉します。時々、粒子はより高温のコンパートメントとより低温のコンパートメントにランダムに分離します。悪魔はこのプロセスを監視し、システムをオフにするタイミングを決定することしかできませんでした。理論的には、このプロセスは小さな温度の不均衡を生み出す可能性があり、したがって、悪魔がいつ実験を終了し、温度の不均衡を所定の位置にロックするかについて賢明である場合、熱狂の連続の賢いギャンブラーがいつ出発するかを知っているのと同じように、有用な熱機関を作成できます。テーブル。 「ルーレット テーブルで一晩中プレイするか、100 ドルを獲得したらやめることができます」と、この研究の共著者であるイタリアの国際理論物理学センターの物理学者であるエドガー ロルダンは述べています。 「私たちは、第 2 法則で仕事を抽出するために、マクスウェルの悪魔のような複雑な装置は必要ないと言っています。もっとリラックスできます。」その後、研究者はそのようなギャンブルの悪魔をナノ電子デバイスに実装し、それが可能であることを示しました.
このようなアイデアは、冷蔵庫などのより効率的な熱システムの設計や、ランダウアーの原理によって決定される根本的な限界に近づいている可能性のある、より高度なコンピューター チップの開発にも役立つ可能性があります。
しかし当分の間、私たちの宇宙の法則は、最大の精査の下に置かれたとしても安全です.変化したのは、宇宙の情報に対する私たちの理解であり、それとともにマクスウェルの悪魔、最初は厄介なパラドックスでしたが、現在では非常に貴重な概念であり、物理的な世界と情報の間の驚くべきつながりを明らかにするのに役立ちました.
ジョナサン・オキャラハンは、ロンドンを拠点とするフリーランスの宇宙科学ジャーナリストです。 を含む多くの出版物に定期的に寄稿しています。 ニューヨーク タイムズ、 サイエンティフィック アメリカン、 ニューサイエンティスト、フォーブス、および 有線。彼の作品の詳細を読むか、 に連絡してください。 jonathanocallaghan.com、または Twitter で彼を見つける @Astro_Jonny.
