Home » Comment le démon de Maxwell continue de surprendre les scientifiques – Des faits si romantiques

Comment le démon de Maxwell continue de surprendre les scientifiques – Des faits si romantiques

by Les Actualites

Réimprimé avec la permission de Quanta Le blog Abstractions du magazine.

L’expérience de pensée épineuse a été transformée en une véritable expérience – une expérience que les physiciens utilisent pour sonder la physique de l’information.Illustration par Samuel Velasco / Quanta Magazine

TL’univers parie sur le désordre. Imaginez, par exemple, laisser tomber un dé de colorant rouge dans une piscine. Toutes ces molécules de colorant vont se répandre lentement dans l’eau.

Les physiciens quantifient cette tendance à se propager en comptant le nombre de façons possibles de disposer les molécules de colorant. Il y a un état possible où les molécules sont entassées dans le dé à coudre. Il y en a un autre où, disons, les molécules s’installent en un bloc bien rangé au fond de la piscine. Mais il existe d’innombrables milliards de permutations où les molécules se répandent de différentes manières dans l’eau. Si l’univers choisit au hasard parmi tous les états possibles, vous pouvez parier qu’il va se retrouver avec l’un des vastes ensembles de possibilités désordonnées.

Vue de cette manière, la montée inexorable de l’entropie, ou du désordre, telle que quantifiée par la deuxième loi de la thermodynamique, prend une certitude presque mathématique. Alors bien sûr, les physiciens essaient constamment de le casser.

On l’a presque fait. Une expérience de pensée conçue par le physicien écossais James Clerk Maxwell en 1867 a surpris les scientifiques pendant 115 ans. Et même après qu’une solution ait été trouvée, les physiciens ont continué à utiliser le «démon de Maxwell» pour pousser les lois de l’univers à leurs limites.

Dans l’expérience de pensée, Maxwell a imaginé diviser une pièce pleine de gaz en deux compartiments en érigeant un mur avec une petite porte. Comme tous les gaz, celui-ci est composé de particules individuelles. La vitesse moyenne des particules correspond à la température du gaz – plus vite est plus chaud. Mais à tout moment, certaines particules se déplaceront plus lentement que d’autres.

Et si, suggéra Maxwell, une minuscule créature imaginaire – un démon, comme on l’appela plus tard – s’assit à la porte. Chaque fois qu’il voyait une particule se déplaçant rapidement s’approcher du côté gauche, il ouvrait la porte et la laissait entrer dans le compartiment de droite. Et chaque fois qu’une particule lente s’approchait par la droite, le démon la laissait entrer dans le compartiment de gauche.

Après un certain temps, le compartiment de gauche serait rempli de particules lentes et froides, et le compartiment de droite chaufferait. Ce système isolé semblerait se développer plus ordonné, pas moins, parce que deux compartiments distinctifs ont plus d’ordre que deux compartiments identiques. Maxwell avait créé un système qui semblait défier la montée de l’entropie, et donc les lois de l’univers.

«Il a essayé de prouver un système où l’entropie diminuerait», a déclaré Laia Delgado Callico, physicienne au King’s College de Londres. «C’est un paradoxe.»

Deux avancées seraient cruciales pour résoudre le démon de Maxwell. Le premier est celui du mathématicien américain Claude Shannon, considéré comme le fondateur de la théorie de l’information. En 1948, Shannon a montré que le contenu informationnel d’un message pouvait être quantifié avec ce qu’il appelait l’entropie d’information. «Au 19e siècle, personne ne connaissait l’information», a déclaré Takahiro Sagawa, physicien à l’Université de Tokyo. “La compréhension moderne du démon de Maxwell a été établie par le travail de Shannon.”

La deuxième pièce essentielle du puzzle était le principe de l’effacement. En 1961, le physicien allemand américain Rolf Landauer a montré que tout calcul logiquement irréversible, tel que l’effacement d’informations d’une mémoire, se traduirait par une quantité minimale de travail non nulle convertie en chaleur rejetée dans l’environnement, et une augmentation correspondante de l’entropie. Le principe d’effacement de Landauer a fourni un lien alléchant entre l’information et la thermodynamique. «L’information est physique», a-t-il proclamé plus tard.

En 1982, le physicien américain Charles Bennett a rassemblé les pièces du puzzle. Il s’est rendu compte que le démon de Maxwell était au cœur d’une machine de traitement de l’information: il avait besoin d’enregistrer et de stocker des informations sur des particules individuelles afin de décider quand ouvrir et fermer la porte. Il faudrait périodiquement effacer ces informations. Selon le principe d’effacement de Landauer, l’augmentation de l’entropie à partir de l’effacement compenserait largement la diminution de l’entropie provoquée par le tri des particules. «Vous devez payer», a déclaré Gonzalo Manzano, physicien à l’Institut d’optique quantique et d’information quantique de Vienne. Le besoin du démon de faire de la place pour plus d’informations conduisit inexorablement à une nette augmentation du désordre.

Puis au 21ème siècle, avec l’expérience de pensée résolue, les vraies expériences ont commencé. «Le développement le plus important est que nous pouvons maintenant réaliser le démon de Maxwell dans les laboratoires», a déclaré Sagawa.

Obtenir le Nautile bulletin

Les articles les plus récents et les plus populaires livrés directement dans votre boîte de réception!

En 2007, les scientifiques ont utilisé une porte alimentée par la lumière pour démontrer l’idée du démon de Maxwell en action; en 2010, une autre équipe a conçu un moyen d’utiliser l’énergie produite par les informations du démon pour amadouer une perle en montée; et en 2016, les scientifiques ont appliqué l’idée du démon de Maxwell à deux compartiments contenant non pas du gaz, mais de la lumière.

«Nous avons changé les rôles de la matière et de la lumière», a déclaré Vlatko Vedral, physicien à l’Université d’Oxford et l’un des co-auteurs de l’étude. Les chercheurs ont finalement pu charger une très petite batterie.

D’autres se sont demandé s’il pourrait y avoir des moyens moins exigeants d’utiliser les informations pour extraire des travaux utiles d’un système similaire. Et une étude publiée en février 2021 dans Lettres d’examen physique semble avoir trouvé un moyen de le faire. Le travail fait du démon un joueur.

L’équipe, dirigée par Manzano, s’est demandé s’il y avait un moyen de mettre en œuvre quelque chose comme le démon de Maxwell mais sans les exigences en matière d’informations. Ils ont imaginé un système à deux compartiments avec une porte, comme auparavant. Mais dans ce cas, la porte s’ouvrirait et se fermerait d’elle-même. Parfois, les particules se séparaient au hasard en compartiments plus chauds et plus froids. Le démon ne pouvait que regarder ce processus et décider quand éteindre le système. En théorie, ce processus pourrait créer un petit déséquilibre de température, et donc un moteur thermique utile, si le démon savait quand mettre fin à l’expérience et verrouiller tout déséquilibre de température en place, tout comme un joueur intelligent sur une séquence chaude sait quand partir. la table. «Vous pouvez soit jouer toute la nuit à la table de roulette, soit vous arrêter si vous gagnez 100 $», a déclaré Édgar Roldán, physicien au Centre international de physique théorique en Italie et co-auteur de l’étude. «Nous disons que nous n’avons pas besoin d’un appareil aussi compliqué que le démon de Maxwell pour extraire du travail dans la deuxième loi. Nous pouvons être plus détendus. » Les chercheurs ont ensuite implémenté un tel démon du jeu dans un appareil nanoélectronique, pour montrer que c’était possible.

Des idées comme celle-ci pourraient s’avérer utiles pour concevoir des systèmes thermiques plus efficaces, comme les réfrigérateurs, ou même pour développer des puces informatiques plus avancées, qui peuvent approcher une limite fondamentale dictée par le principe de Landauer.

Pour le moment, cependant, nos lois de l’univers sont sûres, même lorsqu’elles sont soumises à la plus grande attention. Ce qui a changé, c’est notre compréhension de l’information dans l’univers, et avec elle notre appréciation du démon de Maxwell, d’abord un paradoxe gênant, et maintenant un concept inestimable – un concept qui a contribué à éclairer le lien remarquable entre le monde physique et l’information.

Jonathan O’Callaghan est un journaliste indépendant de l’espace et des sciences basé à Londres. Il écrit régulièrement pour un certain nombre de publications, y compris Le New York Times, Américain scientifique, Nouveau scientifique, Forbes, et Filaire. Vous pouvez en savoir plus sur son travail ou entrer en contact à jonathanocallaghan.com, ou retrouvez-le sur Twitter Astro_Jonny.

You may also like

Leave a Comment

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.