맥스웰의 도깨비

위키百科, 우리 모두의 百科事典.

맥스웰의 도깨비 ( 英語 : Maxwell's demon )는 스코트랜드의 物理學者 제임스 클러크 맥스웰 이 1871年 한 思考 實驗 으로, 熱力學 第2法則 을 違反하는 것이 可能한가에 對한 思考 實驗이다. [1]

맥스웰의 思考 實驗 [ 編輯 ]

熱力學 第2法則은 같은 溫度를 갖는 두 物體가 自發的으로 서로 溫度가 달라지는 것(하나는 溫度가 높아지고, 하나는 溫度가 낮아지는 것)은 不可能하다고 한다. 統計學的으로 不可能하기 때문이다(이때 두 物體는 서로 接觸해 있고 外部로부터는 孤立되어 있다). 다시 말해서, 熱力學 第2法則은 孤立系의 엔트로피 는 決코 減少하지 않는다는 것이다.

맥스웰은 다음과 같이 그의 思考 實驗을 記述하였다.

너무 뛰어난 어떤 存在, 그래서 모든 分子의 움직임을 全部 알 수 있는 그런 存在를 생각해보자. 그 存在는 우리에게 不可能한 일도 할 수 있을 것이다. 우리가 均一한 溫度의 空氣로 차있는 桶 안의 여러 分子가 움직이는 것을 본다면 各 分子의 速度는 決코 均一하지 않을 것이다. 비록 많은 數의 分子를 醉해서 各 무리의 平均速度를 낸다면 均一하지만 말이다. 이제 그 桶을 A와 B 두 部分으로 나누는 것을 假定해보자. 그 사이에는 작은 구멍이 있다. 그리고 그 存在(各各의 分子를 모두 볼 수 있는)는 이 구멍을 열었다 닫는다. 빠르게 움직이는 쪽은 A에서 B로 가게 하고 느리게 움직이는 쪽은 B에서 A로 가게 한다. 그 存在는 卽 일의 支出 없이 B쪽의 溫度를 높이고 A쪽의 溫度를 낮추는 것이다. 이는 熱力學 第2法則에 違背된다.

맥스웰의 도깨비의 槪念도

맥스웰은 같은 溫度의 氣體로 차 있고 서로 옆에 있는 A와 B 두 房을 想像했다. 작은 '도깨비'가 두 房의 分子들을 보면서 그 門을 지키고 있다. 氣體 分子들의 平均 速力보다 빠른 큰 分子가 A房에서 門 쪽으로 오면 도깨비는 門을 열어 B房으로 넘어가게 한다. 같은 方式으로 B房에서는 느린 分子를 A房으로 이동시킨다. 이런 式으로 充分한 時間이 지나면, B房의 氣體 分子들의 平均速力은 增加하고 A房보다 커진다. 平均分子速力은 溫度와 一致하므로 A房은 溫度가 낮아지고 B房은 높아진다. 이는 熱力學 第 2法則에 違背된다.

批判과 發展 [ 編輯 ]

맥스웰의 思考 實驗은 出版된 以來 物理學者들의 골칫거리였다.

맥스웰은 옳은가? 그러한, 그가 記述한 도깨비가 第 2法則을 實際로 깰 수 있는가?

몇몇 物理學者들이 더 深度있는 分析을 한 結果, 熱力學 第2法則은 깨지지 않는다고 結論지었다. 物理學者들의 分析의 核心은 도깨비가 分子를 分類하면서, 減少하는 엔트로피보다 더 많은 엔트로피를 만들어 낼 수밖에 없다는 것이다. A와 B 사이의 溫度 差異로 생긴 에너지보다 分子의 速力을 測定하고 氣體 分子를 選擇的으로 A와 B 사이의 門을 通過하게 만드는 데에 더 많은 일이 든다.

이 물음에 對한 가장 有名한 答辯은 1929年 Leo Szilard가 提案했고 그 後에는 Leon Brillouin가 했다. Szilard는 指摘하기를, 實際 世界에서 맥스웰의 도깨비는 分子의 速力을 測定하는 手段이 必要하고 情報를 蒐集하는 行動은 에너지를 消耗한다고 하였다. 熱力學 第 2法則은 孤立系의 總 엔트로피는 增加해야만 한다고 陳述한다. 도깨비는 機體와 相互作用하기 때문에 우리는 반드시 氣體와 도깨비를 함께 包含하는 界(system)의 엔트로피를 考慮해야 한다. 도깨비에 依한 에너지 支出은 도깨비의 엔트로피 增加를 낳고, 이것은 氣體의 줄어든 엔트로피보다 클 것이다. 例를 들면 萬若 도깨비가 플래시 빛을 使用하여 分子의 位置를 把握한다면 플래시의 乾電池는 낮은 엔트로피를 가진 裝置이고 化學作用이 일어날 것이다. 乾電池의 에너지는 光子를 除去하는 데 쓰인다(광자의 엔트로피도 計算되어야 한다). 그리고 乾電池의 엔트로피도 增加할 것이고, 增加된 엔트로피는 氣體의 줄어든 엔트로피보다 클 것이다.

Szilard의 洞察은 1982年 Charles H. Bennett가 擴張시켰다. 1960年 Rolf Landauer는 어떠한 測定 方法에 있어 萬若 그 測定 方法이 熱力學的으로 可逆的인 方法이라면 熱力學的 엔트로피의 增加가 必要하지 않음을 알았다. 이것은 또한, 熱力學的 엔트로피와 情報 엔트로피 사이의 關係로 인해, 記錄된 測定은 지워져선 안 됨을 뜻한다. 다른 말로 하면 問議 어느 쪽에 分子가 있어야 하는지 決定하기 위해, 도깨비는 分子의 狀態에 關한 情報를 貯藏해야 된다는 뜻이다. 그러나 Bennett는 도깨비의 情報 貯藏空間은 꽉 찰 것이고 前에 모았던 情報를 지우기 始作해야만 한다는 것을 보여주었다. 情報를 지운다는 것은 熱力學的으로 非可逆的인 過程이고 界의 엔트로피를 增加시킨다.

簡單히 말하면, 도깨비가 어떤 方式으로 氣體 分子를 分類하더라도 分子를 區別하여 門을 열고 닫는 行動은 일이고 에너지를 必要로 한다. 그러나 이 說明은 도깨비의 槪念이 記述되지 않았고, 도깨비가 아래와 같이 일을 할 수도 있다는 點을 볼 때 不充分하다.

適用 [ 編輯 ]

實際 生活에 있어서 이 도깨비와 같은 일들이 일어난다. 그러나 '實際의 도깨비'는 그들이 엔트로피를 낮추는 일을 하는 만큼 다른 곳에서 엔트로피가 增加하여 均衡이 맞는다.

粒子物理學者가 쓰는 '單一 原子 덫'은 맥스웰의 도깨비와 類似한 個個의 量子의 狀態를 調節하는 實驗이다.

分子 크기 規模에서의 棋戰은 生物學外에는 더 發見되지 않았다. 이것은 또한 요즘 뜨는 나노技術 分野의 主題이기도 하다.

큰 規模이면서 商業的으로 利用할 수 있는 空氣 裝置인 'Ranque-Hilsch vortex tube '는 찬 氣體와 뜨거운 機體를 分離시킨다. 이 裝置는 各모멘텀(angular momentum)의 保存을 利用해서 分子를 分類한다. 뜨거운 分子는 튜브의 바깥쪽에서 돌게되고, 찬 分子는 튜브의 더 가까이에서 回轉한다. 두 다른 溫度에서 回轉하는 가스는 各各 튜브의 反對便 끝으로 排出된다. 이것이 비록 溫度의 差異를 만들지라도 이렇게 하는 에너지는 튜브 속에서 機體를 움직이는 壓力이 供給한 것이다.

萬若 그림자 物質 (shadow matter, mirror matter)이 存在한다면 도깨비가 제2종영구기관처럼 움직이는 것을 볼 수 있을 것이다. 하나의 貯藏所에서 열에너지를 끌어내어서, 일하는 데 그 열에너지를 使用한다. 勿論 나머지 世界와는 孤立되어 있는 狀態로 그렇게 한다. 그러나 제2법칙은 깨지지 않는다. 왜냐하면 도깨비는 그들의 엔트로피 費用을 숨겨진 그림자 物質에 支拂하기 때문이다. 卽, 그림자 物質의 養子를 除去한다.

맥스웰의 도깨비에 根據한 實驗 作業 [ 編輯 ]

'네이쳐'地 2007年 2月 1日子에 David Leigh 에딘버러 大學의 敎授는 이 事故實驗에 根據한 나노裝置를 만들었다고 發表했다. 이 裝置는 平衡狀態로부터 化學界를 驅動시킬 수 있다. 하지만 이 裝置는 반드시 外部 에너지源으로 구동되고(여기서는 빛) 그러므로 熱力學을 違反하지 않는다.

前에 다른 硏究者들은 半指 模樣의 分子를 만들었다. 이 分子는 두 곳(A와 B라 불리는)을 連結하는 軸에 놓일 수 있다. 두 곳에서 온 粒子는 半指 안에서 부딪히고 끝에서 끝으로 움직인다. 萬若 이런 裝置를 모아 크게 만들어 契에 놓으면, 어떤 모멘트가 주어지더라도, 그 中 折半은 A쪽에 그中 折半은 B쪽에 半指를 갖는다.

Leigh는 軸을 若干 바꿨다. 裝置에 빛이 비춰지면 軸의 中心部는 두꺼위지고 그러면 半指의 움직임이 制限된다. 이것이 A쪽에 있다면 이것은 但只 半指가 움직이는 것을 막아준다. 그래서 時間이 지나면 半指는 B쪽에서 A쪽으로 부딪혀 멈출 것이다. 이것은 契에 不均衡을 만든다. 이 實驗에서 Leigh는 '數十億 個의 裝置'를 50:50의 平衡狀態에서 70:30의 不均衡狀態로 몇 分만에 만들었다.

애덤스와 歷史的 隱喩로서의 도깨비 [ 編輯 ]

歷史學者 헨리 애덤스는 '歷史에 適用되는 位相의 法則(The Rule of Phase Applied to History)'이라는 그의 수고에서 맥스웰의 도깨비를 歷史的 隱喩로서 使用하려는 試圖를 하였다. 비록 그가 이 法則을 잘못 理解하고 適用하는 것처럼 보였지만 말이다. 애덤스는 歷史를 '坪型'을 向해 나아가는 過程으로 보았다. 그는 軍國主義 國家(그는 獨逸을 이런 部類로 느꼈다)는 이 過程(歷史의 맥스웰의 도깨비)에 逆行하는 것으로 看做했다. 그는 科學的인 同僚들에게서 再起된 그에 對한 批判에 應答하려고 여러番 試圖했다. 그러나 1918年 그가 죽음으로써 그의 作業은 未完成으로 남았고 團地 死後에 出版되었을 뿐이다.

大衆文化에 나오는 맥스웰의 도깨비 [ 編輯 ]

  1. ↑ Cargill Gilston Knott (1911). 〈Quote from undated letter from Maxwell to Tait〉 . 《Life and Scientific Work of Peter Guthrie Tait》. Cambridge University Press . 213?215쪽.  
元本 住所 " https://ko.wikipedia.org/w/index.php?title=맥스웰의_도깨비&oldid=36433506 "