EL FAMOSO "DEMONIO" DE MAXWELL

EL FAMOSO "DEMONIO" DE MAXWELL
El propósito de Maxwell al crear su "demonio" –nombre que le dió William Thompson,
en realidad-, fue mostrar que la segunda Ley de la Termodinámica era una ley
estadística, o sea, que describe exclusivamente las propiedades de un sistema formado
por un inmenso número de moléculas.
Imagina Maxwell un gas encerrado en un recipiente, el cual está dividido en dos partes
iguales –A y B- por un diafragma. Se supone que el gas en A está más caliente que en
B, lo cual implica que, si bien la ley de distribuciones del mismo Maxwell exige que
exista toda la gama de velocidades (o de momentos) tanto en A como en B, el promedio
de energía cinética de las moléculas en A es más alta que el de las moléculas en B.
Maxwell habla de "un ser sujeto a las leyes naturales", pero que es capaz de percibir a
cada molécula de gas en su movimiento y velocidad –luego, de percibir cada
microestado-.
Además, imagina que existe un agujero en el diafragma, provisto de una trampa, que
este ser es también capaz de abrir y cerrar a voluntad (o sea, de una manera muy
humana).
Lo interesante es que este "demonio" realiza una selección de las moléculas, de manera
tal que permite el paso –a través de este agujero- de las moléculas rápidas de B hacia A,
a la vez que determina el paso de las moléculas lentas de A hacia B. ¿Cuál es el
resultado de esta acción?
El resultado es que "la energía de A se incrementa y la de B disminuye; es decir, el
sistema caliente se calienta más y el frío se enfría más, y, sin embargo, no se ha hecho
trabajo alguno, sólo se ha empleado la inteligencia de un ser muy observador y de
hábiles dedos".(Esta cita de Maxwell se encuentra en P.M Harman, 1990, pp. 168-169)
Todo lo que Maxwell pretendía con su "experimento mental", era demostrar que no
había nada de contradictorio entre el comportamiento individual de las moléculas -en
algunas de las cuales aleatoriamente se transfiere calor desde una molécula a otra contra
un gradiente térmico-, y el comportamiento estadístico, en el cual el flujo de calor es
siempre desde el cuerpo más caliente al más frío.
Fue Maxwell precisamente quien convenció a Boltzmann de la naturaleza estadística de
la segunda ley, fundamento de la razón por la cual se descarta que la entropía aumente
en un sistema aislado como resultado de una necesidad absoluta –aun cuando se
considere sumamente probable que así ocurra-. Sin embargo, el argumento del
"demonio" permitió llegar a conclusiones más allá de lo que pretendía Maxwell.
Brillouin mostró –al hacer un exhaustivo análisis del "experimento mental" de
Maxwell- que la única posibilidad que tenía el "demonio" de percibir a las moléculas
era usando una fuente luminosa, tal como una lámpara, dado que estaba al interior de un
"cuerpo negro". Es decir, debido a la ausencia de luz, el "demonio" se encontraba a
ciegas.
Pero la absorción de la radiación por parte del sistema aumenta la entropía de éste, más
de lo que hubiera podido disminuir por la acción neguentrópica del "demonio". Luego,
no hay contradicción con la segunda ley de la Termodinámica. (Leon Brillouin, 1956,
p.68)
De aquí derivan ciertas consecuencias sumamente importantes. Brillouin concluyó lo
siguiente: toda medición física implica necesariamente un aumento correspondiente de
la entropía. Existe incluso un límite inferior (cuando D N es del orden de magnitud de k,
la constante de Boltzmann; lo que corresponde casi a un bit), por debajo del cual toda
medición es imposible.
En otras palabras, en toda medición física existe una interacción consumidora de
energía, por la cual la cantidad de información adquirida por el "demonio" –que le
permitiría reducir la entropía del sistema- tiene de todas maneras un costo en energía
que se debe pagar. (Leon Brillouin, 1956, p.162)
Es a partir de este análisis del "demonio" de Maxwell, que Brillouin establece la
equivalencia entre información y neguentropía, llamándole "el principio de
neguentropía de la información".
De esta manera la información puede ser transformada en neguentropía –caso del
"demonio", quien con su selección se opone al aumento de la entropía del gas-, y
viceversa –adquisición de conocimiento-; o sea: neguentropía « información.
Brillouin agrega: si la transformación es reversible, no hay pérdidas –que parece ser el
caso de la acción enzimática-, mientras que éstas se producen siempre cuando la
transformación es irreversible.
En resumen: toda experiencia que permita obtener información relativa a un sistema
físico, conduce –en promedio- a un aumento de la entropía en el aparato de medida (en
el caso del "demonio" sería en su sistema receptor de señales). Y este aumento medio es
siempre superior (o, en el mejor de los casos, igual) a la cantidad de información
obtenida. (Leon Brillouin, 1956, p.178)
Veamos, ahora, cómo Jacques Monod establece la relación entre la neguentropía y la
acción enzimática:
"La clave de la paradoja fue dada por León Brillouin, inspirándose en un trabajo
anterior de Szilard: demostró que el ejercicio de sus funciones cognitivas por el
demonio debía necesariamente consumir una cierta cantidad de energía que, en el
balance de la operación, compensaba precisamente la disminución de entropía del
sistema. En efecto, para que el demonio cierre la trampa con conocimiento de causa, es
preciso que antes haya medido la velocidad de cada partícula de gas. Luego, toda
medida, es decir toda adquisición de información, supone una interacción consumidora
de energía. Este célebre teorema es una de las fuentes de las concepciones modernas
relativas a la equivalencia entre la información y la entropía negativa
(Jacques Monod, 1971, p.71)