Ως γνωστόν, το σύμπαν «στοιχηματίζει» στην αναταραχή. Ας φανταστούμε για παράδειγμα, ότι ρίχνουμε μια δαχτυλήθρα με κόκκινη βαφή σε μια πισίνα. Τα μόρια της βαφής πρόκειται να εξαπλωθούν αργά σε όλο το νερό. Οι φυσικοί ποσοτικοποιούν αυτήν την τάση εξάπλωσης, μετρώντας τον αριθμό των πιθανών τρόπων με τους οποίους μπορούν να διευθετηθούν τα μόρια βαφής μέσα στο νερό. Μια πιθανή κατάσταση είναι τα μόρια να συσσωρεύονται γύρω από τη δακτυλήθρα. Μια άλλη ότι τα μόρια εγκαθίστανται σε μια τακτοποιημένη συστάδα στο κάτω μέρος της πισίνας. Αλλά όμως υπάρχουν αμέτρητα δισεκατομμύρια παραλλαγές όπου τα μόρια απλώνονται με διαφορετικούς τρόπους στο νερό. Εάν το σύμπαν επιλέξει τυχαία από όλες τις πιθανές καταστάσεις, είναι σίγουρο πως θα καταλήξει σε μία ανάμεσα σε ένα τεράστιο σύνολο πιθανών δυνατοτήτων διαταραχής.
Υπό αυτό το πρίσμα, η αύξηση της εντροπίας, ή αν θέλετε αταξίας, όπως ποσοτικοποιείται από τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής, αποκτά μια σχεδόν μαθηματική βεβαιότητα. Όμως, οι φυσικοί προσπαθούν συνεχώς να σπάσουν αυτήν τη βεβαιότητα.
Ένας από αυτούς σχεδόν το κατάφερε. Το 1867, ο Σκοτσέζος φυσικός Τζέιμς Κλερκ Μάξγουελ έκανε ένα νοητικό πείραμα το οποίο απασχόλησε τους επιστήμονες. Ακόμη και μετά την εξεύρεση λύσης, οι φυσικοί συνέχισαν να χρησιμοποιούν τον «δαίμονα του Μάξγουελ» για να ωθήσουν τους νόμους του σύμπαντος στα όριά τους.
Στο νοητικό αυτό πείραμα, ο Μάξγουελ σκέφτηκε να χωρίσει ένα δωμάτιο γεμάτο αέριο σε δύο διαμερίσματα, χτίζοντας έναν τοίχο με μια μικρή πόρτα. Όπως όλα τα αέρια, αυτό είναι κατασκευασμένο από μεμονωμένα σωματίδια. Η μέση ταχύτητα των σωματιδίων αντιστοιχεί στη θερμοκρασία του αερίου (όσο πιο μεγάλη ταχύτητα έχουν τόσο πιο θερμό το αέριο). Αλλά σε οποιαδήποτε δεδομένη στιγμή, ορισμένα σωματίδια θα κινούνται πιο αργά από άλλα.
Ας πούμε, πρότεινε ο Μάξγουελ, ότι ένα μικροσκοπικό φανταστικό πλάσμα (ένας δαίμονας όπως ονομάστηκε αργότερα) κάθεται στην πόρτα. Κάθε φορά που βλέπει ένα γρήγορα κινούμενο σωματίδιο να πλησιάζει από την αριστερή πλευρά, ανοίγει την πόρτα και το αφήνει να μπει στο δεξί διαμέρισμα. Και κάθε φορά που ένα αργά κινούμενο σωματίδιο πλησιάζει από τα δεξιά, ο δαίμονας το αφήνει να μπει στο αριστερό διαμέρισμα.
Μετά από λίγο, το αριστερό διαμέρισμα θα ήταν γεμάτο από αργά, κρύα σωματίδια ενώ το δεξί διαμέρισμα θα γινόταν ζεστό. Αυτό το απομονωμένο σύστημα φαίνεται να αναπτύσσεται με μεγαλύτερη τάξη, επειδή δύο διακριτά διαμερίσματα έχουν μεγαλύτερη τάξη από δύο πανομοιότυπα διαμερίσματα. Ο Μάξγουελ είχε δημιουργήσει ένα σύστημα που φάνηκε να αψηφά την άνοδο της εντροπίας, που προβλέπει ο δεύτερος θερμοδυναμικός νόμος, και κατ’ επέκταση τους νόμους του σύμπαντος.
"Προσπάθησε να αποδείξει ένα σύστημα όπου η εντροπία θα μειωνόταν.", λέει η Laia Delgado Callico, φυσικός στο King's College London. Ένα παράδοξο δηλαδή.
Δύο εξελίξεις ήταν κρίσιμες για την επίλυση του Δαίμονα του Μάξγουελ. Η πρώτη ήταν από τον Αμερικανό μαθηματικό Claude Shannon, που θεωρείται ο ιδρυτής της Θεωρίας της Πληροφορίας. Το 1948, ο Shannon έδειξε ότι το περιεχόμενο πληροφοριών ενός μηνύματος θα μπορούσε να ποσοτικοποιηθεί με αυτό που αποκαλούσε εντροπία πληροφοριών. "Τον 19ο αιώνα, κανείς δεν ήξερε για τις πληροφορίες", δήλωσε ο Takahiro Sagawa, φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Τόκιο. "Η σύγχρονη κατανόηση του δαίμονα του Μάξγουελ καθιερώθηκε από το έργο του Shannon".
Το δεύτερο ζωτικό κομμάτι του παζλ ήταν η αρχή της διαγραφής. Το 1961, ο Γερμανός Αμερικανός φυσικός Rolf Landauer έδειξε ότι οποιοσδήποτε λογικά μη αναστρέψιμος υπολογισμός, όπως η διαγραφή πληροφοριών από μια μνήμη, θα είχε ως αποτέλεσμα μια ελάχιστη αλλά μη μηδενική ποσότητα εργασίας (που μετατρέπεται σε θερμότητα) να απορρίπτεται στο περιβάλλον και την αντίστοιχη αύξηση της εντροπίας. Η αρχή της διαγραφής του Landauer παρείχε μια δελεαστική σχέση μεταξύ της πληροφορίας και της θερμοδυναμικής. "Η πληροφορία είναι φυσική", δήλωσε αργότερα.
Το 1982, ο Αμερικανός φυσικός Charles Bennett ένωσε τα κομμάτια του παζλ μαζί. Συνειδητοποίησε ότι ο δαίμονας του Μάξγουελ ήταν στον πυρήνα μια μηχανή επεξεργασίας πληροφοριών: χρειαζόταν να καταγράφει και να αποθηκεύει πληροφορίες σχετικά με μεμονωμένα σωματίδια για να αποφασίσει πότε θα ανοίξει και θα κλείσει η πόρτα. Περιοδικά, θα χρειαζόταν να διαγράφει αυτές τις πληροφορίες. Σύμφωνα με την αρχή της διαγραφής του Landauer, η αύξηση της εντροπίας από τη διαγραφή θα αντισταθμίσει και με το παραπάνω τη μείωση της που προκαλείται από τη διαλογή των σωματιδίων. "Πρέπει να πληρώσεις", είπε ο Γκονζάλο Μανζάνο, φυσικός στο Ινστιτούτο Κβαντικής Οπτικής και Κβαντικών Πληροφοριών στη Βιέννη. Η ανάγκη του δαίμονα να κάνει χώρο για περισσότερες πληροφορίες αναπόφευκτα οδηγεί σε καθαρή αύξηση της εντροπίας.
Τον 21ο αιώνα, άρχισαν τα πραγματικά πειράματα. "Η πιο σημαντική εξέλιξη είναι ότι μπορούμε τώρα να πραγματοποιήσουμε τον δαίμονα του Μάξγουελ στα εργαστήρια", δήλωσε ο Sagawa.
Το 2007 οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν μια πύλη φωτός για να δείξουν την ιδέα του δαίμονα του Μάξγουελ σε δράση. Το 2010, μια άλλη ομάδα επινόησε έναν τρόπο για να χρησιμοποιήσει την ενέργεια που παράγεται από τις πληροφορίες του δαίμονα για να σπρώξει μια σφαίρα προς τα πάνω και το 2016 οι επιστήμονες εφάρμοσαν την ιδέα του δαίμονα του Μάξγουελ σε δύο διαμερίσματα που δεν περιέχουν αέριο, αλλά φως.
"Αλλάξαμε τους ρόλους της ύλης και του φωτός", δήλωσε ο Vlatko Vedral, φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης και ένας από τους συγγραφείς της μελέτης. Τελικά, οι ερευνητές έφτασαν στο σημείο να μπορέσουν να φορτίσουν μια πολύ μικρή μπαταρία.
Άλλοι αναρωτήθηκαν εάν θα μπορούσαν να υπάρχουν λιγότερο απαιτητικοί τρόποι για τη χρήση πληροφοριών και την εξαγωγή χρήσιμης εργασίας από ένα παρόμοιο σύστημα. Και η έρευνα που δημοσιεύθηκε τον Φεβρουάριο στο Physical Review Letters φαίνεται να βρήκε έναν τρόπο να το κάνει. Η εργασία μετατρέπει τώρα τον δαίμονα σε τζογαδόρο.
Η ερευνητική ομάδα, με επικεφαλής τον Manzano, αναρωτήθηκε αν υπήρχε τρόπος να υλοποιηθεί κάτι σαν το δαίμονα του Maxwell αλλά χωρίς τις απαιτήσεις πληροφοριών. Φαντάστηκαν ένα σύστημα δύο διαμερισμάτων με μια πόρτα, όπως και πριν. Αλλά σε αυτήν την περίπτωση, η πόρτα θα ανοίγει και θα κλείνει μόνη της. Μερικές φορές τα σωματίδια χωρίζονται τυχαία σε θερμότερα και ψυχρότερα διαμερίσματα. Ο δαίμονας μπορούσε μόνο να παρακολουθεί αυτήν τη διαδικασία και να αποφασίσει πότε θα απενεργοποιήσει το σύστημα.
Θεωρητικά, αυτή η διαδικασία θα μπορούσε να δημιουργήσει μια μικρή ανισορροπία θερμοκρασίας και ως εκ τούτου μια χρήσιμη μηχανή θερμότητας, εάν ο δαίμονας ήταν έξυπνος για το πότε θα τερματίσει το πείραμα και θα κλειδώσει οποιαδήποτε ανισορροπία θερμοκρασίας στη θέση αυτή, όπως ακριβώς ένας έξυπνος χαρτοπαίκτης ξέρει πότε να φύγει από το τραπέζι.
"Μπορείτε είτε να παίξετε όλη τη νύχτα στο τραπέζι της ρουλέτας ή μπορείτε να σταματήσετε αν κερδίσετε 100 δολάρια", δήλωσε ο Gardgar Roldán, φυσικός στο Διεθνές Κέντρο Θεωρητικής Φυσικής στην Ιταλία, ο οποίος ήταν και συγγραφέας της μελέτης. "Λέμε ότι δεν χρειαζόμαστε μια τόσο περίπλοκη συσκευή όπως ο δαίμονας του Μάξγουελ για να βγάλουμε συμπεράσματα στο δεύτερο νόμο. Μπορούμε να είμαστε πιο χαλαροί". Στη συνέχεια, οι ερευνητές εφάρμοσαν έναν τέτοιο δαίμονα τυχερών παιχνιδιών σε μια νανοηλεκτρονική συσκευή, για να δείξουν ότι ήταν δυνατό.
Ιδέες όπως αυτό θα μπορούσαν να αποδειχθούν χρήσιμες στο σχεδιασμό αποτελεσματικότερων θερμικών συστημάτων, όπως ψυγεία, ή ακόμη και στην ανάπτυξη πιο προηγμένων τσιπ υπολογιστή, τα οποία μπορεί να πλησιάζουν ένα θεμελιώδες όριο που υπαγορεύεται από την αρχή του Landauer.
Προς το παρόν, οι νόμοι μας για το σύμπαν είναι ασφαλείς, ακόμη και όταν τεθούν υπό τον μεγαλύτερο έλεγχο. Αυτό που άλλαξε είναι η κατανόηση των πληροφοριών στο σύμπαν και η εκτίμησή μας για τον δαίμονα του Μάξγουελ, που βοήθησε να φωτίσει τον αξιοσημείωτο σύνδεσμο μεταξύ του φυσικού κόσμου και των πληροφοριών.