Il diavoletto di Maxwell

diavoletto di Maxwell

Universo e disordine

Un elemento fondamentale dell’Universo è il disordine. Immaginiamo, per esempio, di far cadere un bicchierino di colorante rosso in una piscina. Tutte le molecole del colorante si diffonderanno lentamente nell’acqua. I fisici quantificano questa tendenza a diffondersi contando il numero di possibili modi in cui le molecole del colorante possono essere organizzate.

C’è un possibile stato in cui le molecole sono ammassate nel bicchierino; ce n’è un altro in cui, diciamo, le molecole si depositano in un ammasso ordinato sul fondo della piscina. Ma ci sono innumerevoli miliardi di permutazioni in cui le molecole si diffondono in modi diversi nell’acqua. Se l’Universo sceglie a caso tra tutti gli stati possibili, puoi scommettere che finirà con uno degli stati del vasto insieme di possibilità disordinate.

Visto in questo modo, l’inesorabile aumento dell’entropia, o disordine, quantificato dalla seconda legge della termodinamica, assume una certezza quasi matematica. I fisici cercano costantemente di controbattere questa certezza.

Un demone all’ingresso

Un esperimento mentale ideato dal fisico scozzese James Clerk Maxwell nel 1867 lasciò perplessi gli scienziati per 115 anni. E anche dopo che è stata trovata una soluzione, i fisici hanno continuato a usare “il demone di Maxwell” per spingere al limite le leggi dell’Universo.

Nell’esperimento mentale, Maxwell ha immaginato di dividere una stanza piena di gas in due compartimenti, erigendo un muro con una piccola porta. Come tutti i gas, anche il gas di Maxwell è composto da singole particelle. La velocità media delle particelle corrisponde alla temperatura del gas: più veloci sono le particelle, più il gas è caldo. Ma in un dato momento, alcune particelle si muoveranno più lentamente di altre.

E se, suggerì Maxwell, una minuscola creatura immaginaria – un demone, come fu chiamato in seguito – si sedesse nei pressi della porta di ingresso ai due compartimenti, cosa succederebbe? Ogni volta che il demone vede una particella in rapido movimento avvicinarsi dal lato sinistro, apre la porta e la lascia entrare nel compartimento di destra. E ogni volta che una particella che si muove lentamente si avvicina da destra, il demone la lascia entrare nel compartimento di sinistra.

Dopo un po’, lo scomparto di sinistra sarebbe pieno di particelle lente e fredde e lo scomparto di destra si surriscalderebbe. Questo sistema isolato sembrerebbe quindi evolversi in modo più ordinato, e non meno, come prescrive la seconda legge della termodinamica, perché due compartimenti distinguibili hanno più ordine di due compartimenti identici.

Maxwell aveva così creato un sistema che sembrava sfidare l’ascesa dell’entropia, e quindi le leggi dell’Universo.

Come risolvere il problema del demone

Due studi sono stati fondamentali per risolvere il problema creato dal demone di Maxwell. Il primo è stato portato avanti dal matematico Claude Shannon, considerato il fondatore della teoria dell’informazione. Nel 1948, Shannon dimostrò che il contenuto informativo di un messaggio poteva essere quantificato con quella che chiamava entropia dell’informazione.

Il secondo tassello fondamentale del puzzle è il principio della cancellazione. Nel 1961, il fisico Rolf Landauer mostrò che qualsiasi calcolo logicamente irreversibile, come la cancellazione di informazioni da una memoria, si tradurrebbe in una quantità minima di lavoro non nulla convertita in calore disperso nell’ambiente e in un corrispondente aumento dell’entropia.

Il principio di cancellazione di Landauer ha fornito un interessante collegamento tra informazione e termodinamica. “L’informazione è fisica”, proclamò Landauer in seguito.

Nel 1982, il fisico Charles Bennett mise insieme i pezzi del puzzle. Si rese conto che il demone di Maxwell era in fondo una macchina per l’elaborazione delle informazioni: aveva bisogno di registrare e memorizzare informazioni sulle singole particelle per decidere quando aprire e chiudere la porta. Periodicamente sarebbe stato necessario cancellare queste informazioni.

Secondo il principio di cancellazione di Landauer, l’aumento dell’entropia procurato dalla cancellazione avrebbe più che compensato la diminuzione dell’entropia causata dallo smistamento delle particelle. La volontà del demone di fare spazio a maggiori informazioni porta inesorabilmente a un netto aumento del disordine.

La sperimentazione del diavoletto

Nel 21° secolo, una volta risolto l’enigma derivante dall’esperimento mentale, sono iniziati i veri esperimenti. Lo sviluppo più importante è che è ora possibile realizzare il demone di Maxwell nei laboratori di ricerca.

Nel 2007 gli scienziati hanno utilizzato un cancello alimentato dalla luce per mostrare il demone di Maxwell in azione; nel 2010, un altro team ha escogitato un modo per utilizzare l’energia prodotta dalle informazioni del demone per spingere un tallone a muoversi; nel 2016 gli scienziati hanno applicato l’idea del demone di Maxwell a due compartimenti contenenti non gas, ma luce.

Estrarre energia dalle informazioni

Ci si è chiesto se possano esistere modi semplici per utilizzare le informazioni al fine di estrarre lavoro utile da un sistema simile. E la ricerca pubblicata a febbraio su Physical Review Letters sembra aver trovato un modo per farlo. Il lavoro trasforma il demone in un giocatore d’azzardo.

Il team di ricerca si è chiesto se ci fosse un modo per implementare qualcosa come il demone di Maxwell ma senza i requisiti di informazione. Hanno immaginato un sistema a due scomparti con una porta, come prima. Ma in questo esperimento caso, la porta si aprirà e si chiuderà da sola.

A volte le particelle si separavano casualmente in compartimenti più caldi e più freddi. Il demone poteva solo guardare questo processo e decidere quando spegnere il sistema. In teoria questo processo potrebbe creare un piccolo squilibrio di temperatura, e quindi un utile motore termico, se il demone fosse in grado di capire intelligentemente quando far terminare l’esperimento e bloccare qualsiasi squilibrio di temperatura, proprio come un giocatore d’azzardo sa quando andarsene dalla tavola di gioco. Può giocare tutta la notte al tavolo della roulette, oppure può fermarsi se vince 100 euro. I ricercatori hanno quindi implementato un tale demone del gioco d’azzardo in un dispositivo nanoelettronico, per dimostrare che era possibile.

Idee come questa potrebbero rivelarsi utili nella progettazione di sistemi termici più efficienti, come i frigoriferi, o anche nello sviluppo di chip per computer più avanzati, che potrebbero avvicinarsi a un limite fondamentale dettato dal principio di Landauer.

Per il momento, tuttavia, le nostre leggi dell’Universo sono al sicuro, anche se poste sotto il massimo controllo. Ciò che è cambiato è la nostra comprensione delle informazioni nell’Universo, e con essa il nostro apprezzamento per il demone di Maxwell, prima un fastidioso paradosso e ora un concetto inestimabile, che ha contribuito a illuminare il notevole legame che esiste tra il mondo fisico e le informazioni.


Fonte: Quanta Magazine

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