O demônio de Maxwell é um famoso experimento mental que desafiou as bases da física e a segunda lei de termodinâmica. Decerto, a física por vezes se vale de diversos famosos experimentos mentais que objetivam criar cenários que possam confrontar teorias físicas colocando em xeque as bases estabelecidas. Nesse sentido, o experimento do demônio de Maxwell urge como uma tentativa de confrontar a termodinâmica e o conceito de entropia via um ser imaginário dotado de um incrível poder e conhecimento sobre os sistemas físicos.

Nesse sentido, o demônio de Maxwell se torna um ser incrivelmente interessante de ser estudo e conhecido por todos. Assim, hoje nesse artigo nós da MeuGuru traremos para você um pouco mais sobre esse ser e o problema levantando por Maxwell. Ademais, mostraremos ainda como esse problema foi suficientemente importante para a teoria da informação.

A segunda lei da termodinâmica

Antes de tudo é importante falarmos um pouco sobre o conceito que permeia esse problema: a entropia termodinâmica. Com efeito, a termodinâmica é a parte da física que é associada a dinâmica dos processos de energia em particular do calor. Ademais, esse teoria física é fortemente bem estabelecida e possui sólidas bases teóricas que a ajudam a se manter e estar forte no cenário da física atual.

Além disso, a termodinâmica inteira é construida, inicialmente, sob bases empíricas as quais derivam a partir de experimentos leis físicas que mais tarde foram obtidas a partir de experimentos reais. Com isso, os físicos estabeleceram algumas leis fundamentais que são postulados inviolados da termodinâmica. Com efeito, talvez a segunda lei seja a mais a famosa desses postulados o qual axiomatiza que existe uma quantidade termodinâmica, chamada de entropia e denotada por S a qual sua variação é nunca não negativa, isto é:

Assim, a entropia de um sistema que é usualmente associada ao grau de desordem do sistema físico nunca deve decrescer. Portanto, a entropia de um sistema físico sempre aumenta, logo todo sistema físico tende a um estado onde sua entropia é máxima e consequentemente a energia do sistema deva ser mínima.

De fato, vários cientistas já buscaram tentar violar essa lei e a tentativa mais perto de um sucesso talvez seja o experimento mental do demônio de Maxwell.

Entendendo o que é o demônio de Maxwell

Agora, vamos entender um pouco sobre o demônio de Maxwell e como esse experimento mental estabelecerá as bases da teoria da informação.

Com efeito, o demônio de Maxwell é um ser imaginário que consegue ser capaz de ter o conhecimento completo sobre o sistema físico. Assim, imaginemos um sistema físico composto por uma caixa que é fechada no meio onde há partículas frias (azuis) e quentes (vermelhas) e há uma pequena porta que conecta as duas regiões da caixa como mostrado a seguir.

Ação do demônio de Maxwell !

Então, agora vamos discutir como o demônio de Maxwell age sobre o sistema físico. Com efeito, ele é capaz de ter todo o conhecimento sobre o sistema físico e portanto é capaz de saber quais são as partículas quentes e frias. Nesse sentido, vamos supor que a ação dele é de conseguir abrir a porta que separa as partículas e e então mover de as partículas de um lado para o outro.

Ademais, vamos supor que com esse poder que o demônio tenha ele vá agir de modo a levar as partículas quentes para um lado e as frias para o outro lado. Desse modo, o sistema físico sofrerá mudanças significativas. Com efeito, as mudanças serão que teremos que um lado da caixa ficou composto apenas por partículas quentes e o outro apenas por partículas frias como mostrado a seguir.

Essa ação a priori pode parecer boba e inocente, todavia ela esconde um fato incrível. Decerto, veja que o lado das partículas quentes tem um aumento de entropia do sistema pois ao passo que partículas tem maior temperatura segue que elas estão mais agitadas e logo há uma maior desordem no sistema. Porém, o lado da caixa menor sofre uma diminuição de entropia e consequentemente conseguimos ter um sistema em que a entropia do sistema como um todo diminui. Mas isso não seria um absurdo? a segunda lei da termodinâmica proíbe que a entropia de um sistema diminua.

A solução do problema do demônio de Maxwell

Então, o problema do Demônio de Maxwell é um desafio teórico que levanta questões sobre as leis da termodinâmica e a conservação da entropia. Ao longo dos anos, foram propostas várias soluções e interpretações para resolver esse problema aparente. Nesse sentido, destaca-se as contribuições de Rolf Landauer que trouxe magnificas ideias acerca desse problema o qual mostrou que a ação do demônio sobre o sistema faz com o que o mesmo aumente a entropia dele como um todo.

As contribuições de Landauer

Rolf Landauer, um físico teórico, fez contribuições significativas para o problema do Demônio de Maxwell, trazendo novas perspectivas e insights sobre as limitações fundamentais da informação e da termodinâmica. Suas contribuições foram fundamentais para a compreensão moderna do papel da informação na termodinâmica e na física da computação. Aqui estão algumas das principais contribuições de Rolf Landauer para o Demônio de Maxwell:

Landauer propôs o princípio da dissipação, também conhecido como princípio da dissipação de informações de Landauer. Esse princípio estabelece que qualquer operação lógica irreversível, como o apagamento de informações ou o reset de um bit em um computador, deve dissipar uma quantidade mínima de energia igual a kT ln 2, onde k é a constante de Boltzmann e T é a temperatura em kelvin. Isso implica que o ato de apagar informações gera um aumento na entropia do ambiente.

Landauer mostrou que a informação é uma forma de energia e que as operações lógicas irreversíveis estão intrinsecamente ligadas à dissipação de energia e ao aumento da entropia. Ele destacou que a informação é física e tem um custo termodinâmico. Isso ajudou a estabelecer uma conexão profunda entre a teoria da informação e a termodinâmica.

A partir dos princípios da dissipação de Landauer, ele demonstrou que o Demônio de Maxwell não pode violar a segunda lei da termodinâmica. Mesmo que o Demônio possa medir e separar partículas com precisão, o ato de apagar a informação acumulada resultaria em um aumento líquido de entropia no ambiente, compensando a redução inicial.

Referências

• KITTEL, Charles. Introduction to Solid State Physics. New York: John Wiley & Sons, 2004.
• BLUNDELL, Stephen. Magnetism in Condensed Matter. Oxford: Oxford University Press, 2001.
• COEY, J. M. D. Magnetism and Magnetic Materials. Cambridge: Cambridge University Press, 2010.
• CULLITY, B. D.; GRAHAM, C. D. Introduction to Magnetic Materials. Hoboken: Wiley-IEEE Press, 2008.
• LEVITT, Malcolm H. Spin Dynamics: Basics of Nuclear Magnetic Resonance. Chichester: John Wiley & Sons, 2008.
• FELCHER, G. P. Domain Structure and Magnetism in Ferromagnetic Materials. Reviews of Modern Physics, v. 58, n. 3, p. 647-672, 1986. Disponível em: https://journals.aps.org/rmp/abstract/10.1103/RevModPhys.58.647.
• NATIONAL HIGH MAGNETIC FIELD LABORATORY. Introduction to Magnetic Domains. Disponível em: https://nationalmaglab.org/education/magnet-academy/watch-play/interactive/magnetic-domains.
• HYPERPHYSICS. Magnetic Domains and Domain Walls. Disponível em: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Solids/domain.html.
• MAGNETICS BUSINESS & TECHNOLOGY MAGAZINE. Magnetic Domains. Disponível em: https://magneticsmag.com/magnetic-domains/.
• SCIENCE DIRECT. Magnetic Domains in Ferromagnetic Materials. Disponível em: https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/magnetic-domains-in-ferromagnetic-materials.