मैक्सवेल डेमोन: Difference between revisions

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मैक्सवेल के डेमोन की अवधारणा ने विज्ञान के दर्शन और [[सैद्धांतिक भौतिकी]] में पर्याप्त बहस छेड़ दी है, जो आज भी जारी है। इसने ऊष्मागतिकी और [[सूचना सिद्धांत]] के बीच संबंधों पर काम को प्रेरित किया है। अधिकांश वैज्ञानिकों का तर्क है कि, सैद्धांतिक आधार पर, कोई भी व्यावहारिक उपकरण इस तरह से दूसरे नियम का उल्लंघन नहीं कर सकता है। अन्य शोधकर्ताओं ने मैक्सवेल के डेमोन के रूपों को प्रयोगों में प्रयुक्त किया है, चूँकि वे सभी कुछ सीमा तक विचार प्रयोग से भिन्न हैं और किसी को भी दूसरे नियम का उल्लंघन करते नहीं दिखाया गया है।
मैक्सवेल के डेमोन की अवधारणा ने विज्ञान के दर्शन और [[सैद्धांतिक भौतिकी]] में पर्याप्त बहस छेड़ दी है, जो आज भी जारी है। इसने ऊष्मागतिकी और [[सूचना सिद्धांत]] के बीच संबंधों पर काम को प्रेरित किया है। अधिकांश वैज्ञानिकों का तर्क है कि, सैद्धांतिक आधार पर, कोई भी व्यावहारिक उपकरण इस तरह से दूसरे नियम का उल्लंघन नहीं कर सकता है। अन्य शोधकर्ताओं ने मैक्सवेल के डेमोन के रूपों को प्रयोगों में प्रयुक्त किया है, चूँकि वे सभी कुछ सीमा तक विचार प्रयोग से भिन्न हैं और किसी को भी दूसरे नियम का उल्लंघन करते नहीं दिखाया गया है।
'''चूँकि वे सभी कुछ सीमा तक विचार प्रयोग से भिन्न हैं और किसी को भी दूसरे नियम का उल्लंघन करते नहीं दिखाया'''
== विचार की उत्पत्ति और इतिहास ==
== विचार की उत्पत्ति और इतिहास ==
यह विचार प्रयोग पहली बार 11 दिसंबर 1867 को जेम्स क्लर्क मैक्सवेल द्वारा [[पीटर गुथरी टैट]] को लिखे पत्र में सामने आया था। यह 1871 में [[जॉन विलियम स्ट्रट]] को लिखे पत्र में फिर से सामने आया, इससे पहले इसे मैक्सवेल की 1872 में ऊष्मागतिकी पर थ्योरी ऑफ हीट नामक पुस्तक में जनता के सामने प्रस्तुत किया गया था।<ref name="Leff">[[#Leff Rex 02|Leff & Rex (2002)]], p. 370.</ref>
यह विचार प्रयोग पहली बार 11 दिसंबर 1867 को जेम्स क्लर्क मैक्सवेल द्वारा [[पीटर गुथरी टैट]] को लिखे पत्र में सामने आया था। यह 1871 में [[जॉन विलियम स्ट्रट]] को लिखे पत्र में फिर से सामने आया, इससे पहले इसे मैक्सवेल की 1872 में ऊष्मागतिकी पर थ्योरी ऑफ हीट नामक पुस्तक में जनता के सामने प्रस्तुत किया गया था।<ref name="Leff">[[#Leff Rex 02|Leff & Rex (2002)]], p. 370.</ref>
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यदि काल्पनिक दर्पण पदार्थ उपस्थित है, तो ज़ुराब सिलागाडेज़ का प्रस्ताव है कि डेमोनों की परिकल्पना की जा सकती है, जो दूसरे प्रकार के स्थायी मोबाइल की तरह कार्य कर सकते हैं: केवल जलाशय से गर्मी ऊर्जा निकालें, इसे काम करने के लिए उपयोग करें और बाकी सामान्य दुनिया से अलग हो जाएं। फिर भी दूसरे नियम का उल्लंघन नहीं किया गया है क्योंकि डेमोन दर्पण फोटॉनों का उत्सर्जन करके दुनिया के छिपे हुए (दर्पण) क्षेत्र में अपनी एन्ट्रापी लागत का भुगतान करते हैं।<ref name="1aEYK">{{Cite journal|arxiv=physics/0608114 |title=शीशे के माध्यम से मैक्सवेल का दानव|journal=Acta Physica Polonica B |volume=38 |issue=1 |pages=101–126 |year=2007 |last1=Silagadze |first1=Z. K |bibcode=2007AcPPB..38..101S}}</ref>
यदि काल्पनिक दर्पण पदार्थ उपस्थित है, तो ज़ुराब सिलागाडेज़ का प्रस्ताव है कि डेमोनों की परिकल्पना की जा सकती है, जो दूसरे प्रकार के स्थायी मोबाइल की तरह कार्य कर सकते हैं: केवल जलाशय से गर्मी ऊर्जा निकालें, इसे काम करने के लिए उपयोग करें और बाकी सामान्य दुनिया से अलग हो जाएं। फिर भी दूसरे नियम का उल्लंघन नहीं किया गया है क्योंकि डेमोन दर्पण फोटॉनों का उत्सर्जन करके दुनिया के छिपे हुए (दर्पण) क्षेत्र में अपनी एन्ट्रापी लागत का भुगतान करते हैं।<ref name="1aEYK">{{Cite journal|arxiv=physics/0608114 |title=शीशे के माध्यम से मैक्सवेल का दानव|journal=Acta Physica Polonica B |volume=38 |issue=1 |pages=101–126 |year=2007 |last1=Silagadze |first1=Z. K |bibcode=2007AcPPB..38..101S}}</ref>
== प्रायोगिक कार्य ==
== प्रायोगिक कार्य ==
2007 में, डेविड लेह (वैज्ञानिक) ने [[रिचर्ड फेनमैन]] द्वारा लोकप्रिय [[ ब्राउनियन शाफ़्ट |ब्राउनियन शाफ़्ट]] पर आधारित नैनो-डिवाइस के निर्माण की घोषणा की। लेह का उपकरण रासायनिक प्रणाली को [[रासायनिक संतुलन]] से बाहर निकालने में सक्षम है, किंतु इसे बाहरी स्रोत (इस स्थितियों में प्रकाश) द्वारा संचालित किया जाना चाहिए और इसलिए यह ऊष्मागतिकी का उल्लंघन नहीं करता है।<ref name="H6rVx">{{cite journal | doi = 10.1038/nature05452 | volume=445 | issue=7127 | title=एक आणविक सूचना शाफ़्ट| journal=Nature | pages=523–527 | pmid=17268466 | date=February 2007 | last1 = Serreli | first1 = V | last2 = Lee | first2 = CF | last3 = Kay | first3 = ER | last4 = Leigh | first4 = DA| bibcode=2007Natur.445..523S | s2cid=4314051}}</ref>
2007 में, डेविड लेह (वैज्ञानिक) ने [[रिचर्ड फेनमैन]] द्वारा लोकप्रिय [[ ब्राउनियन शाफ़्ट |ब्राउनियन शाफ़्ट]] पर आधारित नैनो-डिवाइस के निर्माण की घोषणा की थी। लेह का उपकरण रासायनिक प्रणाली को [[रासायनिक संतुलन]] से बाहर निकालने में सक्षम है, किंतु इसे बाहरी स्रोत (इस स्थितियों में प्रकाश) द्वारा संचालित किया जाना चाहिए और इसलिए यह ऊष्मागतिकी का उल्लंघन नहीं करता है।<ref name="H6rVx">{{cite journal | doi = 10.1038/nature05452 | volume=445 | issue=7127 | title=एक आणविक सूचना शाफ़्ट| journal=Nature | pages=523–527 | pmid=17268466 | date=February 2007 | last1 = Serreli | first1 = V | last2 = Lee | first2 = CF | last3 = Kay | first3 = ER | last4 = Leigh | first4 = DA| bibcode=2007Natur.445..523S | s2cid=4314051}}</ref>
इससे पहले, नोबेल पुरस्कार विजेता [[फ़्रेज़र स्टोडडार्ट]] सहित शोधकर्ताओं ने [[रोटाक्सेन]] नामक रिंग के आकार के अणुओं का निर्माण किया था, जिन्हें दो साइटों, ए और B को जोड़ने वाली धुरी पर रखा जा सकता था। किसी भी साइट से कण रिंग में टकराएंगे और इसे एक सिरे से दूसरे सिरे तक ले जाएंगे। यदि इन उपकरणों का बड़ा संग्रह प्रणाली में रखा गया था, तो किसी भी समय, आधे उपकरणों की रिंग साइट ए पर और आधी B पर थी।<ref name="t78Hu">{{cite journal|last1=Bissell|first1=Richard A|last2=Córdova|first2=Emilio|last3=Kaifer|first3=Angel E.|last4=Stoddart|first4=J. Fraser|title=एक रासायनिक और विद्युत रासायनिक रूप से स्विच करने योग्य आणविक शटल|journal=Nature|date=12 May 1994|volume=369|issue=6476|pages=133–137|doi=10.1038/369133a0|bibcode=1994Natur.369..133B|s2cid=44926804}}</ref>
 
लेह ने धुरी में छोटा सा परिवर्तन किया जिससे यदि उपकरण पर प्रकाश डाला जाए, तो धुरी का केंद्र मोटा हो जाएगा, जिससे रिंग की गति सीमित हो जाएगी। यह रिंग को हिलने से रोकता है, चूँकि, केवल तभी जब यह A पर हो। समय के साथ, रिंग्स B से A तक टकरा जाएँगी और वहीं अटक जाएँगी, जिससे प्रणाली में असंतुलन पैदा हो जाएगा। अपने प्रयोगों में, लेह कुछ ही मिनटों में इन अरबों उपकरणों को 50:50 संतुलन से 70:30 असंतुलन तक ले जाने में सक्षम था।<ref name="bErhf">{{cite journal |author=Katharine Sanderson |date=31 January 2007 |title=एक उपकरण का दानव|journal=[[Nature (journal)|Nature]] |doi=10.1038/news070129-10 |s2cid=121130699}}</ref>
इससे पहले, नोबेल पुरस्कार विजेता [[फ़्रेज़र स्टोडडार्ट]] सहित शोधकर्ताओं ने [[रोटाक्सेन]] नामक रिंग के आकार के अणुओं का निर्माण किया था, जिन्हें दो साइटों, A और B को जोड़ने वाली धुरी पर रखा जा सकता था। किसी भी साइट से कण रिंग में टकराएंगे और इसे एक सिरे से दूसरे सिरे तक ले जाएंगे। यदि इन उपकरणों का बड़ा संग्रह प्रणाली में रखा गया था, तो किसी भी समय, आधे उपकरणों की रिंग साइट A पर और आधी B पर थी।<ref name="t78Hu">{{cite journal|last1=Bissell|first1=Richard A|last2=Córdova|first2=Emilio|last3=Kaifer|first3=Angel E.|last4=Stoddart|first4=J. Fraser|title=एक रासायनिक और विद्युत रासायनिक रूप से स्विच करने योग्य आणविक शटल|journal=Nature|date=12 May 1994|volume=369|issue=6476|pages=133–137|doi=10.1038/369133a0|bibcode=1994Natur.369..133B|s2cid=44926804}}</ref>
 
लेह ने धुरी में छोटा सा परिवर्तन किया जिससे यदि उपकरण पर प्रकाश डाला जाए, तो धुरी का केंद्र मोटा हो जाएगा, जिससे रिंग की गति सीमित हो जाएगी। यह रिंग को हिलने से रोकता है, चूँकि, केवल तभी जब यह A पर हो। समय के साथ, रिंग्स B से A तक टकरा जाएँगी और वहीं अटक जाएँगी, जिससे प्रणाली में असंतुलन उत्पन्न हो जाएगा। अपने प्रयोगों में, लेह कुछ ही मिनटों में इन अरबों उपकरणों को 50:50 संतुलन से 70:30 असंतुलन तक ले जाने में सक्षम था।<ref name="bErhf">{{cite journal |author=Katharine Sanderson |date=31 January 2007 |title=एक उपकरण का दानव|journal=[[Nature (journal)|Nature]] |doi=10.1038/news070129-10 |s2cid=121130699}}</ref>
 
2009 में, मार्क जी. रायज़ेन ने लेजर परमाणु शीतलन तकनीक विकसित की, जो मैक्सवेल द्वारा गैस में अलग-अलग परमाणुओं को उनकी ऊर्जा के आधार पर अलग-अलग कंटेनरों में क्रमबद्ध करने की प्रक्रिया को साकार करती है।<ref name="Bennett87" /><ref name="Raizen2009">{{cite journal | last = Raizen | first = Mark G. | title = परमाणु गति का व्यापक नियंत्रण| journal = Science | volume = 324 | issue = 5933 | pages = 1403–1406 | date = June 12, 2009 | doi = 10.1126/science.1171506 | pmid = 19520950 |bibcode = 2009Sci...324.1403R | s2cid = 10235622}}</ref><ref name="Raizen2011">{{cite journal | last = Raizen | first = Mark G. | title = दानव, एन्ट्रॉपी, और पूर्ण शून्य की खोज| journal = Scientific American | volume = 304 | issue = 3 | pages = 54–59 | date = March 2011 | url = http://www.scientificamerican.com/article/demons-entropy-and-the-quest/ | doi = 10.1038/scientificamerican0311-54 | pmid = 21438491 | access-date = November 14, 2014| bibcode =2011SciAm.304c..54R}}</ref> नई अवधारणा परमाणुओं या अणुओं के लिए एक तरफ़ा दीवार है जो उन्हें दिशा में जाने की अनुमति देती है, किंतु वापस जाने की नहीं। वन-वे दीवार का संचालन विशिष्ट तरंग दैर्ध्य पर फोटॉन के अवशोषण की अपरिवर्तनीय परमाणु और आणविक प्रक्रिया पर निर्भर करता है, जिसके बाद अलग आंतरिक स्थिति में सहज उत्सर्जन होता है। अपरिवर्तनीय प्रक्रिया चुंबकीय क्षेत्र और/या प्रकाश द्वारा निर्मित रूढ़िवादी बल से जुड़ी होती है। राइज़ेन और सहयोगियों ने परमाणुओं के समूह की एन्ट्रापी को कम करने के लिए एकपक्षीय दीवार का उपयोग करने का प्रस्ताव रखा। समानांतर में, गोंज़ालो मुगा और एंड्रियास रुशचौप्ट ने स्वतंत्र रूप से समान अवधारणा विकसित की। उनके परमाणु डायोड को ठंडा करने के लिए नहीं, बल्कि परमाणुओं के प्रवाह को विनियमित करने के लिए प्रस्तावित किया गया था। रायज़ेन समूह ने 2008 में प्रयोगों की श्रृंखला में एकपक्षीय दीवार के साथ परमाणुओं के महत्वपूर्ण शीतलन का प्रदर्शन किया। इसके बाद, परमाणुओं के लिए एकपक्षीय दीवार के संचालन को डैनियल स्टेक और सहयोगियों द्वारा बाद में 2008 में प्रदर्शित किया गया। उनका प्रयोग इस पर आधारित था वन-वे दीवार के लिए 2005 की योजना का उपयोग शीतलन के लिए नहीं किया गया था। रायज़ेन समूह द्वारा संपादित की गई शीतलन विधि को एकल-फोटॉन शीतलन कहा जाता था, क्योंकि परमाणु को निकट-विराम में लाने के लिए औसतन केवल फोटॉन की आवश्यकता होती है। यह अन्य लेज़र कूलिंग तकनीकों के विपरीत है जो फोटॉन की गति का उपयोग करती हैं और दो-स्तरीय साइक्लिंग संक्रमण की आवश्यकता होती है।
2009 में, मार्क जी. रायज़ेन ने लेजर परमाणु शीतलन तकनीक विकसित की, जो मैक्सवेल द्वारा गैस में अलग-अलग परमाणुओं को उनकी ऊर्जा के आधार पर अलग-अलग कंटेनरों में क्रमबद्ध करने की प्रक्रिया को साकार करती है।<ref name="Bennett87" /><ref name="Raizen2009">{{cite journal | last = Raizen | first = Mark G. | title = परमाणु गति का व्यापक नियंत्रण| journal = Science | volume = 324 | issue = 5933 | pages = 1403–1406 | date = June 12, 2009 | doi = 10.1126/science.1171506 | pmid = 19520950 |bibcode = 2009Sci...324.1403R | s2cid = 10235622}}</ref><ref name="Raizen2011">{{cite journal | last = Raizen | first = Mark G. | title = दानव, एन्ट्रॉपी, और पूर्ण शून्य की खोज| journal = Scientific American | volume = 304 | issue = 3 | pages = 54–59 | date = March 2011 | url = http://www.scientificamerican.com/article/demons-entropy-and-the-quest/ | doi = 10.1038/scientificamerican0311-54 | pmid = 21438491 | access-date = November 14, 2014| bibcode =2011SciAm.304c..54R}}</ref> नई अवधारणा परमाणुओं या अणुओं के लिए एक तरफ़ा दीवार है जो उन्हें दिशा में जाने की अनुमति देती है, किंतु वापस जाने की नहीं। वन-वे दीवार का संचालन विशिष्ट तरंग दैर्ध्य पर फोटॉन के अवशोषण की अपरिवर्तनीय परमाणु और आणविक प्रक्रिया पर निर्भर करता है, जिसके बाद अलग आंतरिक स्थिति में सहज उत्सर्जन होता है। अपरिवर्तनीय प्रक्रिया चुंबकीय क्षेत्र और/या प्रकाश द्वारा निर्मित रूढ़िवादी बल से जुड़ी होती है। राइज़ेन और सहयोगियों ने परमाणुओं के समूह की एन्ट्रापी को कम करने के लिए एकपक्षीय दीवार का उपयोग करने का प्रस्ताव रखा। समानांतर में, गोंज़ालो मुगा और एंड्रियास रुशचौप्ट ने स्वतंत्र रूप से समान अवधारणा विकसित की। उनके परमाणु डायोड को ठंडा करने के लिए नहीं, बल्कि परमाणुओं के प्रवाह को विनियमित करने के लिए प्रस्तावित किया गया था। रायज़ेन समूह ने 2008 में प्रयोगों की श्रृंखला में एकपक्षीय दीवार के साथ परमाणुओं के महत्वपूर्ण शीतलन का प्रदर्शन किया। इसके बाद, परमाणुओं के लिए एकपक्षीय दीवार के संचालन को डैनियल स्टेक और सहयोगियों द्वारा बाद में 2008 में प्रदर्शित किया गया। उनका प्रयोग इस पर आधारित था वन-वे दीवार के लिए 2005 की योजना का उपयोग शीतलन के लिए नहीं किया गया था। रायज़ेन समूह द्वारा संपादित की गई शीतलन विधि को एकल-फोटॉन शीतलन कहा जाता था, क्योंकि परमाणु को निकट-विराम में लाने के लिए औसतन केवल फोटॉन की आवश्यकता होती है। यह अन्य लेज़र कूलिंग तकनीकों के विपरीत है जो फोटॉन की गति का उपयोग करती हैं और दो-स्तरीय साइक्लिंग संक्रमण की आवश्यकता होती है।


2006 में, रायज़ेन, मुगा और रुशचौप्ट ने सैद्धांतिक पेपर में दिखाया कि जैसे ही प्रत्येक परमाणु एकपक्षीय दीवार को पार करता है, यह फोटॉन को बिखेरता है, और मोड़ के बिंदु और इसलिए उस कण की ऊर्जा के बारे में जानकारी प्रदान की जाती है। दिशात्मक लेजर से यादृच्छिक दिशा में बिखरे हुए विकिरण क्षेत्र की एन्ट्रापी वृद्धि परमाणुओं की एन्ट्रापी कमी से बिल्कुल संतुलित होती है क्योंकि वे एकपक्षीय दीवार से फंस जाते हैं।
2006 में, रायज़ेन, मुगा और रुशचौप्ट ने सैद्धांतिक पेपर में दिखाया कि जैसे ही प्रत्येक परमाणु एकपक्षीय दीवार को पार करता है, यह फोटॉन को बिखेरता है, और मोड़ के बिंदु और इसलिए उस कण की ऊर्जा के बारे में जानकारी प्रदान की जाती है। दिशात्मक लेजर से यादृच्छिक दिशा में बिखरे हुए विकिरण क्षेत्र की एन्ट्रापी वृद्धि परमाणुओं की एन्ट्रापी कमी से बिल्कुल संतुलित होती है क्योंकि वे एकपक्षीय दीवार से फंस जाते हैं।


इस तकनीक को व्यापक रूप से मैक्सवेल के डेमोन के रूप में वर्णित किया गया है क्योंकि यह विभिन्न कंटेनरों में उच्च और निम्न ऊर्जा परमाणुओं को क्रमबद्ध करके तापमान अंतर पैदा करने की मैक्सवेल की प्रक्रिया का एहसास करता है। चूँकि, वैज्ञानिकों ने बताया है कि यह इस अर्थ में सच्चा मैक्सवेल डेमोन नहीं है कि यह ऊष्मागतिकी के दूसरे नियम का उल्लंघन नहीं करता है;<ref name="Bennett87" /><ref name="Orzel">{{cite web | last = Orzel | first = Chad | title = Single-Photon Cooling: Making Maxwell's Demon | website = Uncertain Principles | publisher = [[ScienceBlogs]] website | date = January 25, 2010 | url = http://scienceblogs.com/principles/2010/01/25/single-photon-cooling-making-m/ | access-date = November 14, 2014}}</ref> इसके परिणामस्वरूप एन्ट्रापी में शुद्ध कमी नहीं होती है<ref name="Bennett87" /><ref name="Orzel" />और इसका उपयोग उपयोगी ऊर्जा उत्पन्न करने के लिए नहीं किया जा सकता। ऐसा इसलिए है क्योंकि इस प्रक्रिया में उत्पन्न तापमान अंतर से उत्पन्न होने वाली ऊर्जा की तुलना में लेजर बीम से अधिक ऊर्जा की आवश्यकता होती है। परमाणु लेजर बीम से कम एन्ट्रापी फोटॉन को अवशोषित करते हैं और उन्हें यादृच्छिक दिशा में उत्सर्जित करते हैं, जिससे पर्यावरण की एन्ट्रापी बढ़ जाती है।<ref name="Bennett87" /><ref name="Orzel" />
इस तकनीक को व्यापक रूप से मैक्सवेल के डेमोन के रूप में वर्णित किया गया है क्योंकि यह विभिन्न कंटेनरों में उच्च और निम्न ऊर्जा परमाणुओं को क्रमबद्ध करके तापमान अंतर उत्पन्न करने की मैक्सवेल की प्रक्रिया का एहसास करता है। चूँकि, वैज्ञानिकों ने बताया है कि यह इस अर्थ में सच्चा मैक्सवेल डेमोन नहीं है कि यह ऊष्मागतिकी के दूसरे नियम का उल्लंघन नहीं करता है;<ref name="Bennett87" /><ref name="Orzel">{{cite web | last = Orzel | first = Chad | title = Single-Photon Cooling: Making Maxwell's Demon | website = Uncertain Principles | publisher = [[ScienceBlogs]] website | date = January 25, 2010 | url = http://scienceblogs.com/principles/2010/01/25/single-photon-cooling-making-m/ | access-date = November 14, 2014}}</ref> इसके परिणामस्वरूप एन्ट्रापी में शुद्ध कमी नहीं होती है<ref name="Bennett87" /><ref name="Orzel" />और इसका उपयोग उपयोगी ऊर्जा उत्पन्न करने के लिए नहीं किया जा सकता। ऐसा इसलिए है क्योंकि इस प्रक्रिया में उत्पन्न तापमान अंतर से उत्पन्न होने वाली ऊर्जा की तुलना में लेजर बीम से अधिक ऊर्जा की आवश्यकता होती है। परमाणु लेजर बीम से कम एन्ट्रापी फोटॉन को अवशोषित करते हैं और उन्हें यादृच्छिक दिशा में उत्सर्जित करते हैं, जिससे पर्यावरण की एन्ट्रापी बढ़ जाती है।<ref name="Bennett87" /><ref name="Orzel" />


2014 में, [[जुक्का पेकोला]] एट अल। स्ज़ीलार्ड इंजन के प्रायोगिक कार्यान्वयन का प्रदर्शन किया।<ref name="Pekola 1">{{cite journal|last1=Koski|first1=J.V.|last2=Maisi|first2=V.F.|last3=Sagava|first3=T.|last4=Pekola|first4=J.P.|title=मैक्सवेल दानव के नॉनक्विलिब्रियम डायनेमिक्स में पारस्परिक सूचना की भूमिका का प्रायोगिक अवलोकन|journal=Physical Review Letters|date=14 Jul 2014|volume=113|issue=3|page=030601|doi=10.1103/PhysRevLett.113.030601|pmid=25083623|arxiv=1405.1272|bibcode=2014PhRvL.113c0601K|s2cid=119311588 |url=https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/16122}}</ref><ref name="Pekola 2">{{cite journal|last1=Koski|first1=J.V.|last2=Maisi|first2=V.F.|last3=Pekola|first3=J.P.|last4=Averin|first4=D.V.|title=एकल इलेक्ट्रॉन के साथ स्ज़ीलार्ड इंजन का प्रायोगिक कार्यान्वयन|journal=Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America |date=23 Sep 2014|volume=111|issue=38|pages=13786–9|doi=10.1073/pnas.1406966111|pmid=25201966|pmc=4183300|arxiv=1402.5907|bibcode=2014PNAS..11113786K|doi-access=free}}</ref> केवल एक वर्ष बाद और पहले के सैद्धांतिक प्रस्ताव के आधार पर,<ref name="Strasberg et al">{{cite journal|last1=Strasberg|first1=P.|last2=Schaller|first2=G.|last3=Brandes|first3=T.|last4=Esposito|first4=M.|title=मैक्सवेल दानव को लागू करने वाले भौतिक मॉडल के थर्मोडायनामिक्स|journal=Physical Review Letters|date=24 Jan 2013|volume=110|issue=4|page=040601|doi=10.1103/PhysRevLett.110.040601|pmid=25166147|arxiv=1210.5661|bibcode=2013PhRvL.110d0601S|s2cid=5782312|url=http://orbilu.uni.lu/handle/10993/11416|type=Submitted manuscript}}</ref> उसी समूह ने स्वायत्त मैक्सवेल के डेमोन का पहला प्रयोगात्मक अहसास प्रस्तुत किया, जो प्रणाली से सूक्ष्म जानकारी निकालता है और फीडबैक प्रयुक्त करके इसकी एन्ट्रापी को कम करता है। डेमोन दो कैपेसिटिव युग्मित एकल-इलेक्ट्रॉन उपकरणों पर आधारित है, दोनों एक ही इलेक्ट्रॉनिक सर्किट पर एकीकृत हैं। डेमोन के संचालन को सीधे प्रणाली में तापमान में गिरावट के रूप में देखा जाता है, साथ ही पारस्परिक जानकारी उत्पन्न करने की ऊष्मागतिक लागत से उत्पन्न होने वाले डेमोन में तापमान में वृद्धि होती है।<ref name="Pekola 3">{{cite journal|last1=Koski|first1=J.V.|last2=Kutvonen|first2=A.|last3=Khaymovich|first3=I.M.|last4=Ala-Nissila|first4=T.|last5=Pekola|first5=J.P.|title=सूचना-संचालित रेफ्रिजरेटर के रूप में ऑन-चिप मैक्सवेल का दानव|journal=Physical Review Letters|year=2015 |volume=115|issue=26|page=260602|doi=10.1103/PhysRevLett.115.260602|pmid=26764980|arxiv=1507.00530|bibcode=2015PhRvL.115z0602K|s2cid=3393380}}</ref> 2016 में, पेकोला एट अल। युग्मित एकल-इलेक्ट्रॉन सर्किट में स्वायत्त डेमोन के सिद्धांत का प्रमाण प्रदर्शित किया गया, जिसमें ईंधन के रूप में जानकारी के साथ सर्किट में महत्वपूर्ण तत्वों को ठंडा करने का तरीका दिखाया गया।<ref name="Pekola 4">{{cite journal|last1=Koski|first1=J.V.|last2=Pekola|first2=J.P.|title=मैक्सवेल के राक्षसों को इलेक्ट्रॉनिक सर्किट में एहसास हुआ|journal=Comptes Rendus Physique|date=16 Dec 2016|volume=17|issue=10|pages=1130–1138|doi=10.1016/j.crhy.2016.08.011|bibcode=2016CRPhy..17.1130K|doi-access=free}}</ref> पेकोला एट अल. यह भी प्रस्तावित किया है कि साधारण क्वबिट सर्किट, उदाहरण के लिए, सुपरकंडक्टिंग सर्किट से बना, क्वांटम स्ज़ीलार्ड के इंजन का अध्ययन करने के लिए आधार प्रदान कर सकता है।<ref name="Pekola 5">{{cite journal|last1=Pekola|first1=J.P.|last2=Golubev|first2=D.S.|last3=Averin|first3=D.V.|title=मैक्सवेल का दानव एकल क्वबिट पर आधारित है|journal=Physical Review B|date=5 Jan 2016|volume=93|issue=2|page=024501|doi=10.1103/PhysRevB.93.024501|arxiv=1508.03803|bibcode=2016PhRvB..93b4501P|s2cid=55523206}}</ref>
2014 में, [[जुक्का पेकोला]] एट अल। स्ज़ीलार्ड इंजन के प्रायोगिक कार्यान्वयन का प्रदर्शन किया।<ref name="Pekola 1">{{cite journal|last1=Koski|first1=J.V.|last2=Maisi|first2=V.F.|last3=Sagava|first3=T.|last4=Pekola|first4=J.P.|title=मैक्सवेल दानव के नॉनक्विलिब्रियम डायनेमिक्स में पारस्परिक सूचना की भूमिका का प्रायोगिक अवलोकन|journal=Physical Review Letters|date=14 Jul 2014|volume=113|issue=3|page=030601|doi=10.1103/PhysRevLett.113.030601|pmid=25083623|arxiv=1405.1272|bibcode=2014PhRvL.113c0601K|s2cid=119311588 |url=https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/16122}}</ref><ref name="Pekola 2">{{cite journal|last1=Koski|first1=J.V.|last2=Maisi|first2=V.F.|last3=Pekola|first3=J.P.|last4=Averin|first4=D.V.|title=एकल इलेक्ट्रॉन के साथ स्ज़ीलार्ड इंजन का प्रायोगिक कार्यान्वयन|journal=Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America |date=23 Sep 2014|volume=111|issue=38|pages=13786–9|doi=10.1073/pnas.1406966111|pmid=25201966|pmc=4183300|arxiv=1402.5907|bibcode=2014PNAS..11113786K|doi-access=free}}</ref> केवल एक वर्ष बाद और पहले के सैद्धांतिक प्रस्ताव के आधार पर,<ref name="Strasberg et al">{{cite journal|last1=Strasberg|first1=P.|last2=Schaller|first2=G.|last3=Brandes|first3=T.|last4=Esposito|first4=M.|title=मैक्सवेल दानव को लागू करने वाले भौतिक मॉडल के थर्मोडायनामिक्स|journal=Physical Review Letters|date=24 Jan 2013|volume=110|issue=4|page=040601|doi=10.1103/PhysRevLett.110.040601|pmid=25166147|arxiv=1210.5661|bibcode=2013PhRvL.110d0601S|s2cid=5782312|url=http://orbilu.uni.lu/handle/10993/11416|type=Submitted manuscript}}</ref> उसी समूह ने स्वायत्त मैक्सवेल के डेमोन का पहला प्रयोगात्मक अहसास प्रस्तुत किया, जो प्रणाली से सूक्ष्म जानकारी निकालता है और फीडबैक प्रयुक्त करके इसकी एन्ट्रापी को कम करता है। डेमोन दो कैपेसिटिव युग्मित एकल-इलेक्ट्रॉन उपकरणों पर आधारित है, दोनों एक ही इलेक्ट्रॉनिक सर्किट पर एकीकृत हैं। डेमोन के संचालन को सीधे प्रणाली में तापमान में गिरावट के रूप में देखा जाता है, साथ ही पारस्परिक जानकारी उत्पन्न करने की ऊष्मागतिक लागत से उत्पन्न होने वाले डेमोन में तापमान में वृद्धि होती है।<ref name="Pekola 3">{{cite journal|last1=Koski|first1=J.V.|last2=Kutvonen|first2=A.|last3=Khaymovich|first3=I.M.|last4=Ala-Nissila|first4=T.|last5=Pekola|first5=J.P.|title=सूचना-संचालित रेफ्रिजरेटर के रूप में ऑन-चिप मैक्सवेल का दानव|journal=Physical Review Letters|year=2015 |volume=115|issue=26|page=260602|doi=10.1103/PhysRevLett.115.260602|pmid=26764980|arxiv=1507.00530|bibcode=2015PhRvL.115z0602K|s2cid=3393380}}</ref> 2016 में, पेकोला एट अल। युग्मित एकल-इलेक्ट्रॉन सर्किट में स्वायत्त डेमोन के सिद्धांत का प्रमाण प्रदर्शित किया गया, जिसमें ईंधन के रूप में जानकारी के साथ सर्किट में महत्वपूर्ण तत्वों को ठंडा करने का तरीका दिखाया गया।<ref name="Pekola 4">{{cite journal|last1=Koski|first1=J.V.|last2=Pekola|first2=J.P.|title=मैक्सवेल के राक्षसों को इलेक्ट्रॉनिक सर्किट में एहसास हुआ|journal=Comptes Rendus Physique|date=16 Dec 2016|volume=17|issue=10|pages=1130–1138|doi=10.1016/j.crhy.2016.08.011|bibcode=2016CRPhy..17.1130K|doi-access=free}}</ref> पेकोला एट अल. यह भी प्रस्तावित किया है कि साधारण क्वबिट सर्किट, उदाहरण के लिए, सुपरकंडक्टिंग सर्किट से बना, क्वांटम स्ज़ीलार्ड के इंजन का अध्ययन करने के लिए आधार प्रदान कर सकता है।<ref name="Pekola 5">{{cite journal|last1=Pekola|first1=J.P.|last2=Golubev|first2=D.S.|last3=Averin|first3=D.V.|title=मैक्सवेल का दानव एकल क्वबिट पर आधारित है|journal=Physical Review B|date=5 Jan 2016|volume=93|issue=2|page=024501|doi=10.1103/PhysRevB.93.024501|arxiv=1508.03803|bibcode=2016PhRvB..93b4501P|s2cid=55523206}}</ref>

Revision as of 21:18, 2 December 2023

मैक्सवेल के डेमोन विचार प्रयोग का योजनाबद्ध चित्र

मैक्सवेल डेमोन सोचा हुआ प्रयोग है जो काल्पनिक रूप से ऊष्मागतिकी के दूसरे नियम का उल्लंघन करेगा। इसे 1867 में भौतिक विज्ञानी जेम्स क्लर्क मैक्सवेल द्वारा प्रस्तावित किया गया था।[1] अपने पहले पत्र में, मैक्सवेल ने इकाई को सीमित प्राणी या प्राणी के रूप में संदर्भित किया जो अणुओं के साथ कौशल का खेल खेल सकता है। लॉर्ड केल्विन ने बाद में इसे डेमोन (विचार प्रयोग) कहा।[2]

विचार प्रयोग में, डेमोन गैस के दो कक्षों के बीच छोटे द्रव्यमान रहित द्वार को नियंत्रित करता है। जैसे ही व्यक्तिगत गैस अणु (या परमाणु) द्वार के पास आते हैं, डेमोन तेजी से द्वार खोलता और बंद कर देता है जिससे केवल तेज गति वाले अणुओं को दिशा से निकलने की अनुमति मिल सके, और केवल धीमी गति से चलने वाले अणुओं को दूसरी दिशा से निकलने की अनुमति मिल सके। क्योंकि गैस का गतिज तापमान उसके घटक अणुओं के वेग पर निर्भर करता है, डेमोन की गतिविधियों के कारण कक्ष गर्म हो जाता है और दूसरा ठंडा हो जाता है। इससे किसी भी कार्य (ऊष्मप्रवैगिकी ) को प्रयुक्त किए बिना ऊष्मागतिक प्रणाली की कुल एन्ट्रापी कम हो जाएगी, जिससे ऊष्मागतिकी के दूसरे नियम का उल्लंघन होता है।

मैक्सवेल के डेमोन की अवधारणा ने विज्ञान के दर्शन और सैद्धांतिक भौतिकी में पर्याप्त बहस छेड़ दी है, जो आज भी जारी है। इसने ऊष्मागतिकी और सूचना सिद्धांत के बीच संबंधों पर काम को प्रेरित किया है। अधिकांश वैज्ञानिकों का तर्क है कि, सैद्धांतिक आधार पर, कोई भी व्यावहारिक उपकरण इस तरह से दूसरे नियम का उल्लंघन नहीं कर सकता है। अन्य शोधकर्ताओं ने मैक्सवेल के डेमोन के रूपों को प्रयोगों में प्रयुक्त किया है, चूँकि वे सभी कुछ सीमा तक विचार प्रयोग से भिन्न हैं और किसी को भी दूसरे नियम का उल्लंघन करते नहीं दिखाया गया है।

चूँकि वे सभी कुछ सीमा तक विचार प्रयोग से भिन्न हैं और किसी को भी दूसरे नियम का उल्लंघन करते नहीं दिखाया

विचार की उत्पत्ति और इतिहास

यह विचार प्रयोग पहली बार 11 दिसंबर 1867 को जेम्स क्लर्क मैक्सवेल द्वारा पीटर गुथरी टैट को लिखे पत्र में सामने आया था। यह 1871 में जॉन विलियम स्ट्रट को लिखे पत्र में फिर से सामने आया, इससे पहले इसे मैक्सवेल की 1872 में ऊष्मागतिकी पर थ्योरी ऑफ हीट नामक पुस्तक में जनता के सामने प्रस्तुत किया गया था।[3]

मैक्सवेल ने अपने पत्रों और पुस्तकों में कक्षों के बीच द्वार खोलने वाले एजेंट को सीमित प्राणी के रूप में वर्णित किया है। विलियम थॉमसन, प्रथम बैरन केल्विन|विलियम थॉमसन (लॉर्ड केल्विन) 1874 में प्रकृति (पत्रिका) में मैक्सवेल की अवधारणा के लिए डेमोन शब्द का उपयोग करने वाले पहले व्यक्ति थे, और निहितार्थ यह था कि उनका उद्धिष्ट ग्रीक पौराणिक कथाओं में डेमोन की व्याख्या करना था, जो एक द्वेषपूर्ण प्राणी के अतिरिक्त पृष्ठभूमि में काम करने वाला एक अलौकिक प्राणी था।[2][4][5]

मौलिक विचार प्रयोग

ऊष्मागतिकी का दूसरा नियम यह सुनिश्चित करता है (सांख्यिकीय संभावना के माध्यम से) कि अलग-अलग तापमान के दो पिंड, जब एक-दूसरे के संपर्क में लाए जाते हैं और शेष ब्रह्मांड से अलग होते हैं, तो ऊष्मागतिक संतुलन में विकसित होंगे जिसमें दोनों निकायों का तापमान लगभग समान होगा।[6] दूसरे नियम को इस प्रमाण के रूप में भी व्यक्त किया जाता है कि पृथक प्रणाली में एन्ट्रापी कभी कम नहीं होती है।[6]

मैक्सवेल ने दूसरे नियम की समझ को आगे बढ़ाने की विधियों के रूप में विचार प्रयोग की कल्पना की। उनके प्रयोग का विवरण इस प्रकार है:[6][7]

... यदि हम एक ऐसे प्राणी की कल्पना करते हैं जिसकी क्षमताएं इतनी तीव्र हैं कि वह अपने पाठ्यक्रम में प्रत्येक अणु का अनुसरण कर सकता है, तो ऐसा प्राणी, जिसके गुण अनिवार्य रूप से हमारे जैसे ही सीमित हैं, तो वह करने में सक्षम होगा जो हमारे लिए असंभव है। हमने देखा है कि समान तापमान पर हवा से भरे बर्तन में अणु किसी भी तरह से समान वेग से नहीं चल रहे हैं, चूँकि उनमें से किसी भी बड़ी संख्या का औसत वेग, इच्छानुसार से चुना गया, लगभग बिल्कुल समान है। अब मान लीजिए कि ऐसे बर्तन को विभाजन द्वारा दो भागों, A और B में विभाजित किया जाता है, जिसमें एक छोटा सा छेद होता है, और एक प्राणी, जो व्यक्तिगत अणुओं को देख सकता है, इसे खोलता है और इस छेद को बंद कर देता है, जिससे केवल तेज़ अणुओं को A से B तक जाने की अनुमति मिल सके, और केवल धीमे अणुओं को B से A तक जाने की अनुमति मिल सके। इस प्रकार, वह काम के व्यय के बिना, ऊष्मागतिकी के दूसरे नियम के विपरीत, B का तापमान बढ़ाएगा और A का तापमान कम करेगा।

दूसरे शब्दों में, मैक्सवेल कंटेनर को दो भागों, A और B में विभाजित होने की कल्पना करता है।[6][8] दोनों भागों को समान तापमान पर समान गैस से भरा जाता है और एक दूसरे के बगल में रखा जाता है। दोनों तरफ के अणुओं का अवलोकन करते हुए, काल्पनिक डेमोन (विचार प्रयोग) दोनों भागो के बीच जाल की रक्षा करता है। जब A से औसत से अधिक तीव्र अणु जाल के द्वार की ओर उड़ता है, तो डेमोन उसे खोल देता है, और अणु A से B की ओर उड़ जाएगा। इसी तरह, जब B से औसत से धीमा अणु जाल के द्वार की ओर उड़ता है, तो डेमोन उसे खोल देगा। इसे B से A की ओर जाने दिया जाता है। B में अणुओं की औसत गति बढ़ गई होगी जबकि A में वे औसतन धीमी हो गई होंगी। चूंकि औसत आणविक गति तापमान से मेल खाती है, ऊष्मागतिकी के दूसरे नियम के विपरीत, तापमान A में घटता है और B में बढ़ता है। थर्मल जलाशयों A और B के बीच चलने वाला ताप इंजन इस तापमान अंतर से उपयोगी कार्य (भौतिकी) निकाल सकता है।

केवल तापमान अंतर उत्पन्न करने के लिए डेमोन को अणुओं को दोनों दिशाओं में निकलने की अनुमति देनी होगी; केवल A से B तक औसत से अधिक तीव्र अणुओं के एकपक्षीय मार्ग से B की ओर उच्च तापमान और दबाव विकसित होता है।

आलोचना और विकास

कई भौतिकविदों ने गणनाएँ प्रस्तुत की हैं जो दर्शाती हैं कि ऊष्मागतिकी के दूसरे नियम का वास्तव में उल्लंघन नहीं किया जाएगा, यदि डेमोन सहित पूरे प्रणाली का अधिक संपूर्ण विश्लेषण किया जाए।[6][8][9] भौतिक तर्क का सार गणना द्वारा यह दिखाना है कि किसी भी डेमोन को अणुओं को अलग करने वाली अधिक एन्ट्रापी उत्पन्न करनी होगी, जिसे वह वर्णित विधि द्वारा कभी भी समाप्त नहीं कर सकता है। अर्थात्, अणुओं की गति को मापने और उन्हें A और B के बीच के उद्घाटन से निकलने की अनुमति देने के लिए तापमान के अंतर से प्राप्त ऊर्जा की मात्रा की तुलना में अधिक ऊष्मागतिक कार्य करना होगा।

इस प्रश्न का सबसे प्रसिद्ध उत्तर 1929 में लेओ स्ज़िलार्ड द्वारा सुझाया गया था,[10] और बाद में लियोन ब्रिलॉइन द्वारा।[6][8] स्ज़िलार्ड ने बताया कि वास्तविक जीवन के मैक्सवेल के डेमोन के पास आणविक गति को मापने के कुछ साधन होने चाहिए, और जानकारी प्राप्त करने के कार्य के लिए ऊर्जा व्यय की आवश्यकता होगी। चूँकि डेमोन और गैस परस्पर क्रिया कर रहे हैं, हमें गैस और डेमोन की संयुक्त कुल एन्ट्रापी पर विचार करना चाहिए। डेमोन द्वारा ऊर्जा के व्यय से डेमोन की एन्ट्रापी में वृद्धि होगी, जो गैस की एन्ट्रापी में कमी से अधिक होगी।

1960 में, रॉल्फ लैंडौएर ने इस तर्क पर अपवाद उठाया।[6][8][11] उन्होंने संपादित किया कि कुछ मापने की प्रक्रियाओं को तब तक ऊष्मागतिक एन्ट्रापी बढ़ाने की आवश्यकता नहीं है जब तक वे प्रतिवर्ती प्रक्रिया (ऊष्मागतिकी) हैं। उन्होंने प्रस्ताव दिया कि इन प्रतिवर्ती मापों का उपयोग दूसरे नियम का उल्लंघन करते हुए अणुओं को क्रमबद्ध करने के लिए किया जा सकता है। चूँकि, ऊष्मागतिकी और सूचना सिद्धांत में एन्ट्रापी के बीच संबंध के कारण, इसका मतलब यह भी था कि रिकॉर्ड किए गए माप को मिटाया नहीं जाना चाहिए। दूसरे शब्दों में, यह निर्धारित करने के लिए कि किसी अणु को अंदर जाने देना है या नहीं, डेमोन को अणु की स्थिति के बारे में जानकारी प्राप्त करनी होगी और या तो उसे त्याग देना होगा या संग्रहीत करना होगा। इसे त्यागने से एन्ट्रापी में तत्काल वृद्धि होती है किंतु डेमोन इसे अनिश्चित काल तक संग्रहीत नहीं कर सकता है। 1982 में, चार्ल्स एच. बेनेट (कंप्यूटर वैज्ञानिक) ने दिखाया कि, चाहे कितनी भी अच्छी तैयारी क्यों न हो, अंततः डेमोन के पास सूचना भंडारण स्थान खत्म हो जाएगा और उसे पहले से एकत्र की गई जानकारी को मिटाना प्रारंभ करना होगा।[8][12] जानकारी मिटाना ऊष्मागतिक रूप से अपरिवर्तनीय प्रक्रिया है जो किसी प्रणाली की एन्ट्रापी को बढ़ाती है। यद्यपि बेनेट स्ज़ीलार्ड के 1929 के पेपर के समान निष्कर्ष पर पहुंचे थे, कि मैक्सवेलियन डेमोन दूसरे नियम का उल्लंघन नहीं कर सकता क्योंकि एन्ट्रापी बनाई जाएगी, वह विभिन्न कारणों से इस तक पहुंचे थे। लैंडॉउर के सिद्धांत के संबंध में, जानकारी को हटाने से नष्ट होने वाली न्यूनतम ऊर्जा को प्रयोगात्मक रूप से एरिक लुत्ज़ एट अल द्वारा 2012 में मापा गया था। इसके अतिरिक्त, लुत्ज़ एट अल द्वारा पुष्टि की गई कि लैंडौअर की सीमा तक पहुंचने के लिए, प्रणाली को बिना किसी लक्षण के शून्य प्रसंस्करण गति तक पहुंचना होगा।[13]

जॉन एर्मन और जॉन डी. नॉर्टन ने तर्क दिया है कि मैक्सवेल के डेमोन के बारे में स्ज़ीलार्ड और लैंडौएर की व्याख्या इस धारणा से प्रारंभ होती है कि ऊष्मागतिकी के दूसरे नियम डेमोन द्वारा उल्लंघन नहीं किया जा सकता है, और इस धारणा से डेमोन के अन्य गुणों को प्राप्त किया जा सकता है, जिसमें जानकारी आदि मिटाते समय ऊर्जा की खपत की आवश्यकता भी सम्मिलित है।[14][15] इसलिए डेमोनी तर्क से दूसरे नियम की रक्षा के लिए इन व्युत्पन्न गुणों को प्रयुक्त करना परिपत्र होगा। बेनेट ने बाद में एर्मन और नॉर्टन के तर्क की वैधता को स्वीकार किया, जबकि यह मानते हुए कि लैंडौएर का सिद्धांत उस तंत्र की व्याख्या करता है जिसके द्वारा वास्तविक प्रणाली ऊष्मागतिकी के दूसरे नियम का उल्लंघन नहीं करते हैं।[16]

नवीनतम प्रगति

चूँकि लैंडॉउर और बेनेट का तर्क केवल ऊष्मागतिकी के दूसरे नियम और ऊष्मागतिकी और सूचना सिद्धांत या स्ज़ीलार्ड के इंजन (इंजन और डेमोन की समग्र प्रणाली) में एन्ट्रॉपी की पूरी प्रणाली की पूरी चक्रीय प्रक्रिया के बीच स्थिरता का उत्तर देता है, छोटी उतार-चढ़ाव वाली प्रणालियों के लिए गैर-संतुलन ऊष्मागतिकी पर आधारित नवीनतम दृष्टिकोण ने प्रत्येक उपप्रणाली के साथ प्रत्येक सूचना प्रक्रिया पर गहरी अंतर्दृष्टि प्रदान की है। इस दृष्टिकोण से, माप प्रक्रिया को ऐसी प्रक्रिया के रूप में माना जाता है जहां इंजन और डेमोन के बीच सहसंबंध (आपसी जानकारी) बढ़ता है, और फीडबैक प्रक्रिया को ऐसी प्रक्रिया के रूप में माना जाता है जहां सहसंबंध कम हो जाता है। यदि सहसंबंध बदलता है, तो ऊष्मागतिक संबंधों जैसे कि ऊष्मागतिकी का दूसरा नियम और प्रत्येक उपप्रणाली के लिए उतार-चढ़ाव प्रमेय को संशोधित किया जाना चाहिए, और बाहरी नियंत्रण की स्थितियों में असमानता जैसा दूसरा नियम[17][18][19] और सामान्यीकृत उतार-चढ़ाव प्रमेय[20] आपसी जानकारी से संतुष्ट हैं। इन संबंधों से पता चलता है कि सहसंबंध (माप स्थितियों ) को बढ़ाने के लिए हमें अतिरिक्त ऊष्मागतिक लागत की आवश्यकता है, और इसके विपरीत हम स्पष्ट रूप से सहसंबंध (प्रतिक्रिया स्थितियों ) की खपत तक दूसरे नियम का उल्लंघन कर सकते हैं। जैविक सूचना प्रसंस्करण सहित अधिक सामान्य सूचना प्रक्रियाओं के लिए, पारस्परिक जानकारी के साथ असमानता[21] और समानता[22] दोनों उपस्थित हैं।

अनुप्रयोग

मैक्सवेलियन डेमोनों के वास्तविक जीवन संस्करण पाए जाते हैं, किंतु ऐसे सभी वास्तविक डेमोनों या आणविक डेमोनों के एन्ट्रापी-कम करने वाले प्रभाव कहीं और एन्ट्रापी की वृद्धि से संतुलित होते हैं।[23] आणविक आकार के तंत्र अब केवल जीव विज्ञान में ही नहीं पाए जाते हैं; वे नैनोटेक्नोलॉजी के उभरते क्षेत्र का विषय भी हैं। कण भौतिकविदों द्वारा उपयोग किए जाने वाले एकल-परमाणु जाल प्रयोगकर्ता को मैक्सवेल के डेमोन के समान व्यक्तिगत क्वांटा की स्थिति को नियंत्रित करने की अनुमति देते हैं।

यदि काल्पनिक दर्पण पदार्थ उपस्थित है, तो ज़ुराब सिलागाडेज़ का प्रस्ताव है कि डेमोनों की परिकल्पना की जा सकती है, जो दूसरे प्रकार के स्थायी मोबाइल की तरह कार्य कर सकते हैं: केवल जलाशय से गर्मी ऊर्जा निकालें, इसे काम करने के लिए उपयोग करें और बाकी सामान्य दुनिया से अलग हो जाएं। फिर भी दूसरे नियम का उल्लंघन नहीं किया गया है क्योंकि डेमोन दर्पण फोटॉनों का उत्सर्जन करके दुनिया के छिपे हुए (दर्पण) क्षेत्र में अपनी एन्ट्रापी लागत का भुगतान करते हैं।[24]

प्रायोगिक कार्य

2007 में, डेविड लेह (वैज्ञानिक) ने रिचर्ड फेनमैन द्वारा लोकप्रिय ब्राउनियन शाफ़्ट पर आधारित नैनो-डिवाइस के निर्माण की घोषणा की थी। लेह का उपकरण रासायनिक प्रणाली को रासायनिक संतुलन से बाहर निकालने में सक्षम है, किंतु इसे बाहरी स्रोत (इस स्थितियों में प्रकाश) द्वारा संचालित किया जाना चाहिए और इसलिए यह ऊष्मागतिकी का उल्लंघन नहीं करता है।[25]

इससे पहले, नोबेल पुरस्कार विजेता फ़्रेज़र स्टोडडार्ट सहित शोधकर्ताओं ने रोटाक्सेन नामक रिंग के आकार के अणुओं का निर्माण किया था, जिन्हें दो साइटों, A और B को जोड़ने वाली धुरी पर रखा जा सकता था। किसी भी साइट से कण रिंग में टकराएंगे और इसे एक सिरे से दूसरे सिरे तक ले जाएंगे। यदि इन उपकरणों का बड़ा संग्रह प्रणाली में रखा गया था, तो किसी भी समय, आधे उपकरणों की रिंग साइट A पर और आधी B पर थी।[26]

लेह ने धुरी में छोटा सा परिवर्तन किया जिससे यदि उपकरण पर प्रकाश डाला जाए, तो धुरी का केंद्र मोटा हो जाएगा, जिससे रिंग की गति सीमित हो जाएगी। यह रिंग को हिलने से रोकता है, चूँकि, केवल तभी जब यह A पर हो। समय के साथ, रिंग्स B से A तक टकरा जाएँगी और वहीं अटक जाएँगी, जिससे प्रणाली में असंतुलन उत्पन्न हो जाएगा। अपने प्रयोगों में, लेह कुछ ही मिनटों में इन अरबों उपकरणों को 50:50 संतुलन से 70:30 असंतुलन तक ले जाने में सक्षम था।[27]

2009 में, मार्क जी. रायज़ेन ने लेजर परमाणु शीतलन तकनीक विकसित की, जो मैक्सवेल द्वारा गैस में अलग-अलग परमाणुओं को उनकी ऊर्जा के आधार पर अलग-अलग कंटेनरों में क्रमबद्ध करने की प्रक्रिया को साकार करती है।[6][28][29] नई अवधारणा परमाणुओं या अणुओं के लिए एक तरफ़ा दीवार है जो उन्हें दिशा में जाने की अनुमति देती है, किंतु वापस जाने की नहीं। वन-वे दीवार का संचालन विशिष्ट तरंग दैर्ध्य पर फोटॉन के अवशोषण की अपरिवर्तनीय परमाणु और आणविक प्रक्रिया पर निर्भर करता है, जिसके बाद अलग आंतरिक स्थिति में सहज उत्सर्जन होता है। अपरिवर्तनीय प्रक्रिया चुंबकीय क्षेत्र और/या प्रकाश द्वारा निर्मित रूढ़िवादी बल से जुड़ी होती है। राइज़ेन और सहयोगियों ने परमाणुओं के समूह की एन्ट्रापी को कम करने के लिए एकपक्षीय दीवार का उपयोग करने का प्रस्ताव रखा। समानांतर में, गोंज़ालो मुगा और एंड्रियास रुशचौप्ट ने स्वतंत्र रूप से समान अवधारणा विकसित की। उनके परमाणु डायोड को ठंडा करने के लिए नहीं, बल्कि परमाणुओं के प्रवाह को विनियमित करने के लिए प्रस्तावित किया गया था। रायज़ेन समूह ने 2008 में प्रयोगों की श्रृंखला में एकपक्षीय दीवार के साथ परमाणुओं के महत्वपूर्ण शीतलन का प्रदर्शन किया। इसके बाद, परमाणुओं के लिए एकपक्षीय दीवार के संचालन को डैनियल स्टेक और सहयोगियों द्वारा बाद में 2008 में प्रदर्शित किया गया। उनका प्रयोग इस पर आधारित था वन-वे दीवार के लिए 2005 की योजना का उपयोग शीतलन के लिए नहीं किया गया था। रायज़ेन समूह द्वारा संपादित की गई शीतलन विधि को एकल-फोटॉन शीतलन कहा जाता था, क्योंकि परमाणु को निकट-विराम में लाने के लिए औसतन केवल फोटॉन की आवश्यकता होती है। यह अन्य लेज़र कूलिंग तकनीकों के विपरीत है जो फोटॉन की गति का उपयोग करती हैं और दो-स्तरीय साइक्लिंग संक्रमण की आवश्यकता होती है।

2006 में, रायज़ेन, मुगा और रुशचौप्ट ने सैद्धांतिक पेपर में दिखाया कि जैसे ही प्रत्येक परमाणु एकपक्षीय दीवार को पार करता है, यह फोटॉन को बिखेरता है, और मोड़ के बिंदु और इसलिए उस कण की ऊर्जा के बारे में जानकारी प्रदान की जाती है। दिशात्मक लेजर से यादृच्छिक दिशा में बिखरे हुए विकिरण क्षेत्र की एन्ट्रापी वृद्धि परमाणुओं की एन्ट्रापी कमी से बिल्कुल संतुलित होती है क्योंकि वे एकपक्षीय दीवार से फंस जाते हैं।

इस तकनीक को व्यापक रूप से मैक्सवेल के डेमोन के रूप में वर्णित किया गया है क्योंकि यह विभिन्न कंटेनरों में उच्च और निम्न ऊर्जा परमाणुओं को क्रमबद्ध करके तापमान अंतर उत्पन्न करने की मैक्सवेल की प्रक्रिया का एहसास करता है। चूँकि, वैज्ञानिकों ने बताया है कि यह इस अर्थ में सच्चा मैक्सवेल डेमोन नहीं है कि यह ऊष्मागतिकी के दूसरे नियम का उल्लंघन नहीं करता है;[6][30] इसके परिणामस्वरूप एन्ट्रापी में शुद्ध कमी नहीं होती है[6][30]और इसका उपयोग उपयोगी ऊर्जा उत्पन्न करने के लिए नहीं किया जा सकता। ऐसा इसलिए है क्योंकि इस प्रक्रिया में उत्पन्न तापमान अंतर से उत्पन्न होने वाली ऊर्जा की तुलना में लेजर बीम से अधिक ऊर्जा की आवश्यकता होती है। परमाणु लेजर बीम से कम एन्ट्रापी फोटॉन को अवशोषित करते हैं और उन्हें यादृच्छिक दिशा में उत्सर्जित करते हैं, जिससे पर्यावरण की एन्ट्रापी बढ़ जाती है।[6][30]

2014 में, जुक्का पेकोला एट अल। स्ज़ीलार्ड इंजन के प्रायोगिक कार्यान्वयन का प्रदर्शन किया।[31][32] केवल एक वर्ष बाद और पहले के सैद्धांतिक प्रस्ताव के आधार पर,[33] उसी समूह ने स्वायत्त मैक्सवेल के डेमोन का पहला प्रयोगात्मक अहसास प्रस्तुत किया, जो प्रणाली से सूक्ष्म जानकारी निकालता है और फीडबैक प्रयुक्त करके इसकी एन्ट्रापी को कम करता है। डेमोन दो कैपेसिटिव युग्मित एकल-इलेक्ट्रॉन उपकरणों पर आधारित है, दोनों एक ही इलेक्ट्रॉनिक सर्किट पर एकीकृत हैं। डेमोन के संचालन को सीधे प्रणाली में तापमान में गिरावट के रूप में देखा जाता है, साथ ही पारस्परिक जानकारी उत्पन्न करने की ऊष्मागतिक लागत से उत्पन्न होने वाले डेमोन में तापमान में वृद्धि होती है।[34] 2016 में, पेकोला एट अल। युग्मित एकल-इलेक्ट्रॉन सर्किट में स्वायत्त डेमोन के सिद्धांत का प्रमाण प्रदर्शित किया गया, जिसमें ईंधन के रूप में जानकारी के साथ सर्किट में महत्वपूर्ण तत्वों को ठंडा करने का तरीका दिखाया गया।[35] पेकोला एट अल. यह भी प्रस्तावित किया है कि साधारण क्वबिट सर्किट, उदाहरण के लिए, सुपरकंडक्टिंग सर्किट से बना, क्वांटम स्ज़ीलार्ड के इंजन का अध्ययन करने के लिए आधार प्रदान कर सकता है।[36]

रूपक के रूप में

डेमॉन (कंप्यूटिंग), आम तौर पर उपयोगकर्ताओं को प्रतिक्रिया देने के लिए सर्वर पर चलने वाली प्रक्रियाओं का नाम मैक्सवेल के डेमोन के नाम पर रखा गया है।[37] इतिहासकार हेनरी ब्रूक्स एडम्स ने अपनी पांडुलिपि चरण का नियम इतिहास पर प्रयुक्त होता है में मैक्सवेल के डेमोन को ऐतिहासिक रूपक के रूप में उपयोग करने का प्रयास किया, चूँकि उन्होंने मूल सिद्धांत को गलत समझा और गलत विधियों से प्रयुक्त किया।[38] एडम्स ने इतिहास की व्याख्या संतुलन की ओर बढ़ने वाली प्रक्रिया के रूप में की, किंतु उन्होंने सैन्यवाद वाले देशों को (उन्हें इस वर्ग में जर्मनी को प्रमुखता से संपादित किया) इस प्रक्रिया को उलटने की प्रवृत्ति वाले, इतिहास के मैक्सवेल के डेमोन के रूप में देखा। एडम्स ने अपने वैज्ञानिक सहयोगियों से अपने सूत्रीकरण की आलोचना का जवाब देने के लिए कई प्रयास किए, किंतु 1918 में एडम्स की मृत्यु के बाद काम अधूरा रह गया। इसे केवल मरणोपरांत प्रकाशित किया गया था।[39]

यह भी देखें

ऊष्मप्रवैगिकी के नियम सूचना सिद्धांत में एन्ट्रॉपी

टिप्पणियाँ

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संदर्भ

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बाहरी संबंध

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