물리학에는 4 대 맹수, 지노의 거북이, 라플라스의 야수, 맥스웨의 요괴, 설정악적묘, 각각 미적분학, 고전역학, 열역학 제 2 법칙, 양자역학이 있다.

이 글은 너를 맥스웰의 요괴의 세계로 데려갈 것이다.

물리학자들은 미시적 상태와 거시적인 상태로 엔트로피에 대해 토론하기 시작했다. 매크로 상태는 모든 가스가 닫힌 컨테이너의 위쪽 절반에 집중되어 있을 수 있으며, 해당 미세 상태는 모든 입자 위치와 속도의 가능한 모든 조합입니다. 이렇게 하면 엔트로피는 확률의 물리적 등가물이 된다. 주어진 거시상태의 엔트로피는 그에 상응하는 미시상태 수의 로그이다. 따라서 열역학 제 2 법칙은 우주가 확률이 작은 (질서) 거시상태에서 확률이 큰 (무질서한) 거시상태로 진화하는 추세를 보여준다.

그러나, 이렇게 중요한 물리적 현상을 확률로 돌리는 것은 여전히 혼란스럽다. 물리학은 혼합 기체가 자발적으로 냉열 양면으로 나뉘는 것을 완전히 허용한다고 하는데, 확률 통계만으로는 이런 상황이 발생하지 않는다는 것이 정말 정확합니까? 맥스웰은 이 난제를 설명하기 위해 사상 실험을 제안했다. 닫힌 컨테이너를 분리하는 칸막이에 있는 마이크로구멍을 제어하는' 유한한 존재' 를 상상해 보십시오. 비행하는 분자를 명확하게 보고, 움직이는 속도를 판단하며, 통과시킬지 여부를 선택할 수 있습니다. 이렇게 하면 원래의 확률을 바꿀 수 있다. 더 빠른 분자와 더 느린 분자를 선별함으로써 A 를 더 뜨겁게 하고 B 를 더 차갑게 만들 수 있다. 이렇게 하면 "일을 할 필요 없이 민첩한 존재만으로 지능을 발휘할 수 있다" 고 말했다. 이런 존재는 일반적인 확률에 불복종한다. 일반적으로 서로 다른 것들이 서로 혼합됩니다. 하지만 그것들을 걸러내려면 정보가 필요합니다.

톰슨은 이 생각을 매우 좋아해서, 이 상상 속의 존재 악마를' 맥스웰의 지능 악마',' 맥스웰의 선별 악마',' 맥스웰의 악마' 라고 부른다. 영국 왕립학회의 저녁 연설에서 톰슨은 이 작은 녀석을 형상적으로 묘사했다. "그것은 단지 일반 동물과는 다를 뿐이다! ] 활동적이고, 작고, 매우 민첩합니다. 클릭합니다 다른 색깔의 액체로 가득 찬 두 시험관의 도움으로, 그는 돌이킬 수 없을 것 같은 확산 과정을 시연하며 그 악마만이 그 과정을 역전시킬 수 있다고 주장했다.

이 악마는 우리가 볼 수 없는 것을 볼 수 있다. 결국 우리는 너무 크고 너무 느리다. 구체적으로 볼 수 있듯이 열역학 제 2 법칙은 통계적 의미에서 성립된 것이지 어떤 물리적 원인에 의해 결정된 것이 아니다. 사실 분자 수준에서, 이 법칙은 무작위로 위반될 것이다. 그리고이 악마는 의도적 인 행동으로이 무작위성을 대체했습니다. 정보의 엔트로피를 감소시킵니다. 맥스웰은 그의 악마가 이렇게 널리 퍼질 줄은 생각지도 못했다. 미국 역사학자 헨리 아담스는 심지어 엔트로피의 개념을 그의 역사 이론에 통합하려고 시도했다. 1903 년, 그는 동생 브룩스에게 보낸 편지에서 "사람은 원자와 같다. 열역학 제 2 법칙을 통제하는 맥스웰 요괴는 대통령이 되어야 한다" 고 썼다. 사실, 이 악마가 물질 세계에서 정보 세계에 이르는 대문을 지배하고 있다고 해도 무방하다.

이런 악마의 힘은 과학자들을 매우 부러워하게 한다. 그 만화 이미지는 종종 물리학 저널에 등장해 지면을 활발하게 한다. 확실히 허구이지만 원자 자체는 허구로 여겨져 왔으며, 이 악마는 원자를 길들일 수 있다. 자연의 법칙은 저항할 수 없을 것 같지만, 이 악마는 그것들을 위반할 수 있다. 그것은 마치 도둑을 조종하여 자물쇠를 비틀어 잠그는 도둑과 같다. 프랑스의 수학자 헨리 푸앵카레 (Henri Poincare) 는 "맥스웰 요염처럼 무한한 예민한 감각을 가진 존재만이 혼란을 정리하고 우주의 돌이킬 수 없는 추세를 뒤집을 수 있다" 고 썼다. 그리고 이것이 바로 인류가 꿈꿔왔던 것이 아닐까요?

과거 현미경보다 우월한 도움으로 과학자들은 20 세기 초에 세포막의 능동적 선별 과정을 연구하기 시작했다. 그들은 살아있는 세포가 세포막을 통해 외부 물질을 흡수하고 여과하며 내부적으로 가공한다는 것을 발견했다. 각종 목적이 있는 과정은 모두 미시적 차원에서 끊임없이 돌아가는 것 같다.

그럼 누가 혹은 무엇이 이 모든 것을 통제하고 있을까요?

대답은 삶 자체에 있는 것 같다. 19 14 년 영국 생물학자 제임스 존스턴은 "우리는 악마주의를 과학에 도입해서는 안 된다" 고 강조했다. 그는 물리학에서 단일 분자는 여전히 우리의 통제를 받지 않는다고 지적했다. "그들의 운동과 그들의 궤적이 조화되지 않아' 혼란' 이라고 할 수 있다. 그래서 물리학은 통계적 의미에서 평균 속도만 고려한다. " 이것이 물리적 현상이 되돌릴 수 없는 이유이다. "그래서 맥스웰 요괴는 후과학에는 존재하지 않는다." 인생은요? 생리는요? 존 스톤은 지구상의 생명과정이 전체적으로 가역적이라고 더 제안했다. "그러므로 우리는 생물이 단일 분자의 부조화 운동을 통제할 수 있다는 증거를 찾아야 한다."

생명은 여전히 신비롭기 때문에, 맥스웰의 요괴는 만화에만 있는 것이 아닐 수도 있다. (윌리엄 셰익스피어, 햄릿, 인생명언)

나중에 맥스웨의 요괴는 아주 젊은 헝가리 물리학자인 리오지라트를 괴롭히기 시작했다. 이것은 매우 상상력이 풍부한 인물로, 앞으로 전자현미경, 핵체인반응, 직선가속기, 회전가속기 등의 사상을 제시했다. 그의 더 유명한 선생님인 알버트 아인슈타인은 특허청에 가서 직위를 신청하도록 설득하려 했지만, 다행히 그는 듣지 않았다. 1920 년대에 제라트는 열역학이 끝없는 분자 변동을 어떻게 처리해야 하는지에 대해 생각했다. 이름에서 알 수 있듯이, 파동은 평균에 대한 편차로, 마치 역류하여 오르는 물고기가 오르락내리락하는 것과 같다. 사람들은 당연히, 만약 우리가 이런 파동을 이용할 수 있다면 어떨까요? 이런 생각은 거부할 수 없다. 어떤 사람들은 영동기 * 를 상상하기도 한다. 영동기는 기상천외하고 허풍을 잘 떠는 사람의 성배다. 그러나 이것은 사실' 왜 전체 열량을 이용할 수 없는가' 라는 또 다른 표현일 뿐이다.

맥스웰의 요괴는 또 다른 역설을 일으켰다. 폐쇄된 시스템에서, 빠른 분자와 느린 분자를 구별하고 그 통과를 통제할 수 있는 이 악마에게 무한한 유용한 에너지원을 가지고 있는 것과 다름없다. (존 F. 케네디, 에너지원, 에너지원, 에너지원, 에너지원, 에너지원, 에너지원, 에너지원) 아니면 이 상상 속의 작은 악마가 아니라 다른' 지혜의 생명' 인가? 예를 들어, 실험 물리학자는 단일 분자를 조작하는 특이성을 가질 필요가 없습니다. "만약 우리가 이 실험자를 구원의 신으로 본다면, 그는 언제나 자연의 기존 상태를 정확하게 이해하고, 공을 소모하지 않고 거시적인 상태의 추세를 방해할 수 있다면, 영동기는 가능하다." 하지만 뇌가 있는 생명만 도입하면 생물현상 자체가 문제를 일으킬 수 있다. 제라트는 "신경계 자체의 존재는 에너지의 지속적인 소산에 달려 있다" 고 지적했다. [그의 친구 칼 에카터는 "생각은 엔트로피를 낳는다" 고 예리하게 요약했다. 따라서, 그의 생각 실험에서, zirat, 원통형 용기에 가스가 있는 열역학 시스템을 상상, 지능형 생명은 "생명 없는 장치" 로 대체, 그것은 단지 소량의 정보를 측정 해야 합니다. 그는 또한 이런 설비는' 어떤 기억 기능' 이 필요하다고 지적했다. (논문은 1929 년에 발표되었는데, 당시 튜링은 아직 소년이었다. 하지만 튜링이 나중에 제기한 용어로 말하면, 지라트는 맥스웰의 머리를 쌍 안정 스토리지가 있는 컴퓨터로 본다.

제라트는 이런 영원한 동기도 실패할 운명이라는 것을 더욱 증명했다. 그리고 중요한 것은 정보가 무료가 아니라는 것이다. 맥스웨, 톰슨 등은 분자 운동 속도와 궤적에 대한 지식이 악마의 바로 앞에 있다는 것을 기본으로 하고 있다. 그들은 이 정보를 얻는 데 돈이 든다는 것을 고려하지 않았다. 그러나 그들은 생각할 수 없다. 결국, 비교적 간단한 시대에, 그들에게 정보는 근본적으로 또 다른 평행 우주, 또 다른 영혼의 세계에 속해 있으며, 그들이 연구하려는 물질과 에너지, 입자, 힘으로 구성된 세계와 무관하다.

그러나 정보는 유형적이다. 맥스웰의 악마는 그들 사이에 다리를 놓았다. 그것은 입자를 처리할 때마다 정보와 에너지의 변환을 한다. 제라트는 (당시 정보라는 단어를 사용하지 않았다) 모든 측정과 기억을 정확하게 계산하기만 하면 이 전환도 정확하게 계산할 수 있다는 것을 발견했다. 그의 계산에 따르면, 한 단위의 정보를 얻을 때마다 항상 일정한 엔트로피 증가를 가져온다. 특히 엔트로피는 2 단위 증가한다. 이 악마는 두 입자 사이에서 선택할 때마다 비트 정보를 소비한다. 각 주기가 끝날 때, 오래된 기억을 지워야 할 때 엔트로피가 증가한다. (이 마지막 세부 사항은 논문에서 명확하게 제시되지는 않았지만 사용된 수학에는 반영되어 있다.) 이러한 모든 것을 적절하게 고려해야 한다. 그럴듯한 영동기만이 안식처가 될 수 있고, 우주는 조화를 회복할 수 있다. "열역학 제 2 법칙과 다시 일치한다." "

이렇게, 제라트는 향농의' 정보가 엔트로피' 사상의 마지막 부분을 완성했다. 하지만 향농에게 그는 독일어를 이해하지 못했고,' 물리학 잡지' 에도 관심을 기울이지 않았다. 그는 나중에 이렇게 회상했다. "나는 지라트가 당시 확실히 이 문제에 대해 생각하고 있었다고 생각한다. 그는 폰 노이만에게 말한 적이 있는데, 폰 노이만도 비너에게 언급한 적이 있을 것이다. (존 F. 케네디, Northern Exposure (미국 TV 드라마), 스포츠명언) 하지만 그들 중 누구도 나와 이 일에 대해 이야기하지 않았다. 클릭합니다 향농은 처음부터 엔트로피의 수학 이론을 구축했다.

이 글은 《정보 약사》에서 각색한 것이다.