Demon Maxwella. Dzieje i filozofia pewnego eksperymentu

Demon Maxwella (ang. Maxwell’s demon) okazał się jednym z najciekawszych eksperymentów myślowych w historii fizyki, co uzasadnia przedstawienie jego aspektów filozoficznych. Zarówno oryginalna wersja tego eksperymentu, jak i jego późniejsze modyfikacje zostaną szczegółowo opisane w następnych rozdziałach, tymczasem wystarczy powiedzieć, iż jego sedno polega na wyobrażeniu sobie czynnika (mechanizmu lub istoty inteligentnej) działającego na poziomie molekularnym i zdolnego do sortowania molekuł gazu ze względu na kierunek lub prędkość ich poruszania się. Wynikiem działania takiego demona miałoby być posortowanie molekuł tak, by powstała różnica temperatur lub ciśnień między dwoma częściami naczynia wypełnionego gazem znajdującym się początkowo w stanie równowagi termodynamicznej. Byłoby to sprzeczne z II zasadą termodynamiki, przez co pojawiłby się — nie jedyny — paradoks sięgający podstaw tej dziedziny fizyki.

    Praca składa się z tekstu zasadniczego i uzupełnień. Tekst zasadniczy zaczynamy od wskazania filozoficznych aspektów eksperymentu myślowego (rozdz. 1).      Następnie przedstawiamy oryginalne sformułowanie demona Maxwella (rozdz. 2) na tle zmian, które zaszły w fizyce XIX w., ze szczególnym uwzględnieniem problemu degradacji energii, który z kolei pojawił się przy okazji powstania termodynamiki. Następnie referujemy spór o demona w fizyce już po Maxwellu, mianowicie: fazę „mechaniczną” (od Kelvina do Smoluchowskiego, rozdz. 3) oraz „informacyjną (rozdz. 4). Ta druga dzieli się na dwie części, odpowiadającą klasycznej teorii informacji (od Szilárda do Brillouina) i odpowiadającą współczesnej teorii obliczeń (od Landauera do Bennetta), którą można by nazwać komputeryzacją demona. Porównując objętość rozdziałów 3 i 4, widać, że więcej miejsca poświęciliśmy drugiej (informacyjnej) części biografii demona, co tłumaczy się po prostu większą liczbą istotnych koncepcji, które pojawiły się w tym drugim okresie. Jeżeli skrupulatnie ważyć takie proporcje, to okres informacyjny zasługiwałby może na jeszcze dokładniejsze potraktowanie, lecz musieliśmy uwzględnić ograniczoną objętość książki, oraz fakt, że okres mechaniczny, uboższy wprawdzie w nowe koncepcje, przyniósł kilka interesujących, a mniej znanych pomysłów.

W rozdziale 5 przedstawiamy nawiązania do demona w innych działach przyrodoznawstwa, szczególnie w biologii (nieprzypadkowo na wzór demona Maxwella pojawiły się demony Mendla i Darwina) oraz rzeczywiste układy przypominające demona Maxwella. Dodajemy (rozdz. 6) przegląd nawiązań do demona w humanistyce, ekonomii i sztuce, zaczynając od chybionej, acz pouczającej koncepcji historii termodynamicznej według Henry’ego Adamsa. W zakończeniu wracamy do historii rozwiązań paradoksu na gruncie fizyki. Najpierw porównujemy główne rozwiązania, tak z punktu widzenia składowych sytuacji doświadczalnej stanowiących punkt ciężkości kolejnych analiz, jak i samych metod wykazania niemożliwości skonstruowania demona. Następnie wskazujemy na stopniową zmianę perspektywy — od podejścia czysto mechanicznego do pojmowania demona jako (kwantowo-)mechanicznego procesu obliczeniowego. Powracając do kwestii eksperymentu myślowego poruszonejw rozdz. 1, próbujemy odpowiedzieć na pytanie, czy demon Maxwella okazał się udanym eksperymentem myślowym.

Aneksy zawierają przede wszystkim tłumaczenie oryginalnych tekstów Maxwella i notę o nim samym, uwzględniającą jego znaczenie dla rozwoju fizyki i zarys poglądów filozoficznych. W Aneksie 3. przedstawiamy zasadnicze pojęcia termodynamiki fenomenologicznej i fizyki statystycznej. W Aneksie 4 analogicznie wyjaśniamy główne definicje informacji. Dwa ostatnie aneksy mogą wydawać się nieproporcjonalnie spore, a wręcz zbędne wobec istnienia wielu dobrych podręczników, które zresztą sami wskazujemy. Te ostatnie są jednak w większości dość zaawansowane matematycznie, natomiast treść aneksów mogliśmy dostosować do zamiaru ułatwienia niefizykom czytania książki. W końcu C.P. Snow wybrał właśnie znajomość drugiej zasady termodynamiki jako dosadny przykład różnicy dzielącej kulturę opartą na przyrodoznawstwie od kultury „humanistycznej”, ufundowanej na literaturze 1. Chcieliśmy też wyeliminować z tekstu głównego — i tak obciążonego znaczną liczbą niezbędnych przypisów historycznych — wyjaśnienia skądinąd drobnych, niekiedy istotnych, a niekiedy tylko antykwarycznych kwestii, na przykład: czemu jeden bit informacji w temperaturze T ma odpowiadać akurat kT ln2 dżuli, albo: dlaczego reguła faz podana przez wspomnianego Adamsa ma się nijak do reguły faz w termodynamice.

Mając do wyboru jeszcze sporządzenie jakiegoś słowniczka czy listy podstawowych pojęć fizycznych i informatycznych, woleliśmy jednak systematycznie zarysować główne idee dwóch dziedzin fizyki, na styku których ulokowany jest demon Maxwella. Mogliśmy jednocześnie dać pewne pojęcie o strukturze tych nauk i charakterze związku, jaki zachodzi między nimi. To samo tyczy się teorii informacji: jak już zaznaczyliśmy, kolejne koncepcje demona ewoluowały właśnie w kierunku procesu obliczeniowego,co bezpośrednio wiąże się z teorią informacji.

Główne zadanie, jakie sobie postawiliśmy, tj. przedstawienie historii idei demona Maxwella, nasza książka — mamy nadzieję — spełnia jako całość. Należy pamiętać, że demon niejednokrotnie służył jako problem węzłowy. Znaczy to, że w rozważaniach nad nim co raz to zbiegały się inne, czasem daleko ważniejsze kwestie, w tym zagadnienie nieodwracalności, stosowalności zasad termodynamiki fenomenologicznej, informacji, a wreszcie związku termodynamiki z biologią i psychologią. Część z nich wystąpiła już po Maxwellu, toteż dla filozofa interesujące są trwające przez półtora wieku, przeto długotrwałe (szczególnie w skali tempa rozwoju fizyki) przemiany tła intelektualnego, na którym pojawiały się kolejne rozwiązania owego paradoksu. Rzecz jasna nie wszystkie ze wspomnianych kwestii zostały rozwiązane, toteż nie tylko fizyczna, ale i filozoficzna historia demona nie znalazła jeszcze zakończenia.

Zagadnienie demona Maxwella opracowujemy w sposób analityczno-historyczny, przedstawiając kolejne ujęcia tego eksperymentu myślowego. Jak zwykle w takich przypadkach znany jest punkt wyjścia, czyli oryginalne sformułowanie Maxwella, i punkt dojścia, czyli wersje współczesne. Oryginalne sformułowanie powstało w trakcie sporów wokół zakresu obowiązywania praw kształtującej się jeszcze termodynamiki fenomenologicznej i dopiero powstającej termodynamiki statystycznej. Wersje dzisiejsze formułowane są na tle przeważającego poglądu, iż fizykalna doktryna informacji powiązana z teorią prawdopodobieństwa i mechaniką statystyczną umożliwia definitywne rozwiązanie paradoksu. Można zapytać, czy z historyczno-filozoficznego punktu widzenia w ogóle uzasadnione jest przedstawienie drogimiędzy punktem wyjścia a punktem dojścia. Naszym zdaniem, niekoniecznie podzielanym przez fizyków 2 — tak.

Ten główny cel pracy dopełniają jeszcze dwa. Pierwszy z nich jest filozoficzny: próbujemy podać ocenę dotychczasowego statusu demona Maxwella według zestawu ogólnie przyjętych charakterystyk eksperymentu myślowego, które przedstawiamy w rozdz 1.III. Przy okazji na konkretnym — choć może nietypowym, skoro eksperymenty myślowe najliczniej występują w teorii względności i mechanice kwantowej — przykładzie afirmujemy znaczenie tego narzędzia w naukach ścisłych. Tym razem wbrew zastrzeżeniom filozofów: modus operandi fizyków ma jednoznaczną wymowę.

Drugi, cel interdyscyplinarny, polega na przedstawieniu oddziaływania eksperymentu myślowego sformułowanego na gruncie fizyki w innych dziedzinach, szczególnie w biologii i humanistyce z uwzględnieniem ekonomii, bliższej wszak naukom społecznym, określanym w nomenklaturze amerykańskiej jako „miękkie” (soft) czyli niezmatematyzowane, niźli ścisłym (hard). Stawiamy tezę, iż mamy do czynienia raczej z przypadkiem chętnej, choć niekoniecznie udolnej absorpcji  motywów fizycznych przez reprezentantów innych nauk, niźli z ekspansją fizykalizmu przeprowadzaną wysiłkiem samych fizyków. Co więcej, w miarę oddalania się od fizyki motyw demona ulega prorcjonalnej dekonkretyzacji.