マクスウェルの悪魔は、数学者ジェームズ・クラーク・マクスウェルが熱力学の第二法則に反するものとして作り出した架空の生き物です。
化学者たちはこれまでで最大規模で奇妙なマクスウェルの悪魔を召喚する
かつては熱力学の法則に反すると考えられていた19世紀の思考実験が、U字型の曲線の片側に分子が蓄積するという形で実現した。マクスウェルの悪魔は、2 つの隣接する空間間の粒子の流れを「悪魔」が制御し、仕事をしているようには見えない電位勾配を確立するという思考実験を表しています。この一見矛盾した現象から、選別には熱力学的仕事が伴うという理解が生まれ、これは情報理論の基本概念です。過去数世紀にわたり、マクスウェルの悪魔に類似したシステムが分子情報、分子ポンプ、ラチェットの形で数多く導入されてきました。
マクスウェルの悪魔とは何か？
1867 年、ジェームズ・クラーク・マクスウェルは、熱力学の第二法則の限界を探る思考実験について説明しました。それは、「悪魔」が 2 つの隣接する区画間の粒子の通過をゲートで制御し、仕事をしているようには見えない電位勾配を作り出すというものでした。元の思考実験では、2 つの隔離された区画に同じ温度 (または圧力) のガス分子が収容されており、分子サイズのゲートで接続されています。悪魔という能動的なエージェントがゲートを選択的に開閉し、熱いガス分子と冷たいガス分子 (または高速と低速) を別々の区画に分割します。悪魔はそれによってシステム全体のエントロピーを減少させ、電位エネルギーの源となる勾配を作り出します。ゲートに摩擦がない場合、悪魔はこのプロセス中に仕事をしていないように見えますが、そこにパラドックスがあります。1 世紀後、シラードはマクスウェルの悪魔のバリエーションを開発しました。これは、単一のガス分子を仮想的に箱の中に閉じ込め、その分子の位置に関する情報を利用して仕事を生み出すというものです。この定式化により、マクスウェルの悪魔と情報理論が結びつき、情報を物理的特性として考えることができるようになりました。したがって、記憶媒体の物理的性質は、情報が保存、転送、処理される際に熱力学の法則にも従わなければならないことを意味します。悪魔は、個々の分子に関する情報を取得するために熱力学的コストを支払わなければならず、それによってシステム全体に温度勾配を作成する際のエントロピーの減少を相殺します。さらに、物理的な悪魔が個々の分子に関する情報を記憶する能力は必然的に有限でなければなりません。この情報を忘れて新しい分子の集合を分類するには、熱を放散する必要があります。