Физики создали демона Максвелла

Джеймс Клерк Ма́ксвелл (англ. James Clerk Maxwell; 13 июня 1831, Эдинбург, Шотландия — 5 ноября 1879, Кембридж, Англия) — британский физик, математик и механик. Шотландец по происхождению. Член Лондонского королевского общества (1861). Максвелл заложил основы современной классической электродинамики (уравнения Максвелла), ввёл в физику понятия тока смещения и электромагнитного поля, получил ряд следствий из своей теории (предсказание электромагнитных волн, электромагнитная природа света, давление света и другие). Один из основателей кинетической теории газов (установил распределение молекул газа по скоростям). Одним из первых ввёл в физику статистические представления, показал статистическую природу второго начала термодинамики («демон Максвелла»), получил ряд важных результатов в молекулярной физике и термодинамике (термодинамические соотношения Максвелла, правило Максвелла для фазового перехода жидкость — газ и другие). Пионер количественной теории цветов; автор принципа цветной фотографии. Среди других работ Максвелла — исследования по механике (фотоупругость, теорема Максвелла в теории упругости, работы в области теории устойчивости движения, анализ устойчивости колец Сатурна), оптике, математике. Он подготовил к публикации рукописи работ Генри Кавендиша, много внимания уделял популяризации науки, сконструировал ряд научных приборов.

В своем мысленном эксперименте Максвелл взял закрытый баллон с газом и разделил его на две части внутренней стенкой с небольшим люком. Открывая и закрывая его, демон Максвелла разделяет быстрые (горячие) и медленные (холодные) частицы друг от друга.

Это приводит к тому, что в баллоне с газом создается разность температур, а тепло передается от более холодного газа к более горячему. При наивном рассмотрении можно подумать, что парадокс означает нарушение второго закона термодинамики. Парадокс был разрешен физиком Лео Силардом в 1929 году.

Созданная учеными система основана на одноэлектронном транзисторе, который образует небольшой медный остров, подключенный к двум свехпроводящим алюминиевым выводам. Демон Максвелла контролирует движение электронов через транзистор.

Когда частица находится на острове, демон притягивает ее положительным зарядом. В случае, если электрон покидает остров, демон отталкивает его при помощи отрицательного заряда, что приводит к понижению температуры системы.

Все манипуляции демон выполняет в автономном режиме (его поведение определяется транзистором), а изменения температуры указывают на корреляцию между ним и системой, так что все выглядит так, как будто демон Максвелла знает о состоянии системы и способен ею управлять.

Электронный демон позволяет проводить большое количество операций измерения за небольшой промежуток времени. Кроме того, низкие температуры, в которых функционирует система, позволяют регистрировать чрезвычайно малые изменения температуры.

Физики впервые при помощи нанотехнологий создали демона Максвелла в условиях лаборатории. С помощью своей установки ученые надеются изучать микроскопические явления в термодинамике. Установка также может найти применение в кубитах для квантовых компьютерах.