Maxwellscher Dämon

Der Maxwellsche Dämon wurde 1867 von James Clerk Maxwell beschrieben. Das Gedankenexperiment: Ein Behälter mit Gas ist durch eine Trennwand mit einer kleinen Klappe in zwei Hälften geteilt. Ein winziger Dämon sitzt an der Klappe und beobachtet die Gasmoleküle. Wenn ein schnelles Molekül von links kommt, öffnet er die Klappe und lässt es nach rechts durch. Langsame Moleküle von rechts lässt er nach links durch. Nach einer Weile sind alle schnellen (heißen) Moleküle auf der einen Seite und alle langsamen (kalten) auf der anderen.

Das Problem: Der Dämon hat ein Temperaturgefälle erzeugt, ohne Arbeit zu verrichten. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik sagt aber, dass Entropie in einem abgeschlossenen System nur zunehmen kann. Ein Temperaturgefälle ohne Energieaufwand ist verboten.

Die Auflösung kam über ein Jahrhundert später: Leo Szilard zeigte 1929, dass der Dämon Information über die Moleküle gewinnen muss, was Energie kostet. Rolf Landauer bewies 1961, dass das Löschen von Information (das der Dämon tun muss, um seinen endlichen Speicher wiederzuverwenden) unvermeidlich Wärme erzeugt (Landauer-Prinzip). Charles Bennett vervollständigte 1982 das Argument: Der Dämon kann messen, ohne Entropie zu erzeugen, aber wenn er seine Messergebnisse löscht, um Platz für neue zu schaffen, erzeugt er genau die Entropie, die er scheinbar vernichtet hat.

Der Maxwellsche Dämon verknüpft Thermodynamik mit Informationstheorie und hat die moderne Physik der Information begründet. Landauers Prinzip wurde 2012 experimentell bestätigt (Bérut et al., Nature).

In der Science-Fiction wird das Konzept selten direkt aufgegriffen, aber die tiefere Idee, dass Information physikalisch ist und Entropie-Kosten hat, durchzieht die Werke von Greg Egan, Neal Stephenson und Charles Stross.