Tengo la siguiente confusión con el experimento mental del demonio de Maxwell y su resolución.
Según este experimento mental, cuando el espacio de la memoria del demonio se llena por completo, borra la información, y es el acto de borrar la información lo que hace que la entropía del Universo aumente para no violar la segunda ley de la termodinámica.
Pregunta ¿Pero qué sucede antes del borrado de la información? ¿Qué está pasando hasta que la información no se borra?
Suponga que el gas y el demonio juntos forman un sistema aislado. Además, suponga que el demonio puede almacenar información durante un tiempo finito. Durante este tiempo finito, en el que tiene lugar el acto de almacenar información (y no borrarla), la entropía de la configuración gaseosa decrece definitivamente. ¿Eso significa que para conservar la entropía de un sistema aislado, la entropía de la memoria del demonio aumenta? ¿Significa eso que no solo el borrado, sino también el almacenamiento de información conduce a un aumento local de la entropía?
Si este acto de almacenamiento no está asociado con un aumento de entropía en la memoria del demonio, entonces, durante el tiempo de almacenamiento de información, ¿cómo se explicará la disminución de entropía del gas y, sin embargo, se salvará la segunda ley de la termodinámica?
durante el tiempo de almacenamiento de la información, ¿cómo se tendrá en cuenta la disminución de la entropía del gas y, sin embargo, se salvará la segunda ley de la termodinámica?
En el pensamiento de Landauer/Bennett, no hay necesidad de tener en cuenta eso: la disminución temporal de la entropía posible con cualquier dispositivo de memoria es tan pequeña que es una fluctuación.
Hay dos variantes comúnmente utilizadas de la segunda ley. Una es la versión termodinámica clásica simple pero menos precisa, donde la entropía del sistema que solo intercambia trabajo con el exterior no puede disminuir. Esto es lo suficientemente útil y preciso para muchas aplicaciones de la termodinámica a sistemas macroscópicos.
También existe la versión de física estadística más informada, que tiene en cuenta las fluctuaciones: la disminución de la entropía de dicho sistema termodinámico puede ocurrir, pero la probabilidad de tal evento es muy baja, y cuanto mayor es la caída de entropía, menor es la probabilidad.
La idea del demonio de Maxwell originalmente es romper la segunda variante: tal vez pueda haber un dispositivo que aproveche las fluctuaciones y acumule su efecto en una sola dirección que disminuya de manera confiable y medible la entropía del sistema. Si se construyera dicho dispositivo y se verificara su funcionamiento, la segunda variante de la 2.ª ley se volvería incorrecta.
Sabemos que la primera variante tiene demasiada confianza en lo que no puede suceder, porque conocemos las moléculas y cualquier modelo mecánico o probabilístico de ellas en simulaciones puede resultar en una disminución temporal de la entropía. Simplemente ocurrirá con muy baja probabilidad, pero es posible.
Landauer argumenta que las operaciones informacionalmente irreversibles tienen que ser también termodinámicamente irreversibles, borrando así los bits de información deben aumentar la entropía termodinámica en algo así como .
Bennet comienza con la idea de que si el demonio funciona como una máquina termodinámicamente reversible (que en realidad es casi imposible de construir), no puede producir ninguna entropía termodinámica, por lo que funciona y rompe la segunda ley. Ahora asume que la ruptura es imposible, por lo que cualquier instancia real del demonio tiene que tener alguna irreversibilidad, y Bennet lo encuentra en el hecho de que 1) necesita escribir en la memoria 2) tiene que borrarlo después de un tiempo para continuar trabajando 3) este borrado es obviamente informacionalmente irreversible, la información no puede ser reconstruida de la memoria después del borrado 4) (salto lógico) este proceso informacionalmente irreversible tiene que ser también termodinámicamente irreversible (generando entropía termodinámica).
Bennet luego toma esto como un resultado válido y afirma que resuelve el problema con el demonio: que la variante probabilística moderna de la segunda ley se salva porque el principio de borrado: la entropía termodinámica producida es suficiente para evitar la disminución sistemática de la entropía en el sistema, por lo que el único disminución posible es la consistente con las fluctuaciones.
Entonces, creo que Landauer y Bennett responderían a su pregunta de la siguiente manera: si el demonio solo funciona de manera reversible (tanto termodinámica como informacionalmente), lo que suponen que es posible durante una cierta cantidad de ciclos, entonces no es necesario que se produzca producción de entropía y el demonio realmente disminuye la entropía. del sistema.
Ahora, para equilibrar las cosas, no creo que los argumentos de Landauer y Bennett sean muy convincentes. Como argumentan Laszlo Kish et al. en varios artículos [1],[2], la entropía de la información es diferente de la entropía termodinámica, la liberación de la memoria generalmente no se realiza poniendo a cero la memoria sino cambiando la dirección de inicio de la memoria libre, e incluso la puesta a cero de la memoria requiere al menos energía. solo para esos bits que se voltean. Esto significa que cambiar bits en la memoria en el curso de la operación no puede ser termodinámicamente reversible, si el demonio está escribiendo en la memoria, cada cambio de bit requiere cierta generación de entropía termodinámica.
[1] LB Kish, DK Ferry, Entropía de la información y entropía térmica: manzanas y naranjas (2017), J Comput Electron, DOI 10.1007/s10825-017-1044-1
PDF: https://noise.ece.tamu.edu/research_files/info_thermal_entropy_web_published.pdf
[2] LB Kish et al. Demonios: el demonio de Maxwell, el motor de Szilard y la disipación de borrado de Landauer (2013), Temas candentes en información física (HoTPI-2013) Revista internacional de física moderna: serie de conferencias vol. 33 (2014), DOI: 10.1142/S2010194514603640
PrawwarP
Ján Lalinský
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