Maxwell’s Demon  ปีศาจผู้แหกกฎข้อที่ 2 ของเทอร์โมไดนามิกส์

คงไม่มีใครคิดว่า “น้ำจะเดือดได้เอง โดยอาศัยอากาศที่อยู่รอบ ๆ ซึ่งมีอุณหภูมิที่ต่ำกว่าถ่ายเทความร้อนให้” เพราะมันขัดกับ common sense ที่ว่า ความร้อนถ่ายเทจากที่ที่มีอุณหภูมิสูง ไปสู่ที่ที่มีอุณหภูมิต่ำ (กฎข้อที่สองของเทอร์โมไดนามิกส์) ยกเว้นแต่ เจมส์ เคลิร์ก แมกซ์เวลล์ (James Clerk Maxwell)

ในช่วงปี 1867 แมกซ์เวลล์ ได้เขียนจดหมายเล่าแนวคิดแสนแปลกประหลาดนี้ให้เพื่อนนักฟิสิกส์ฟัง ซึ่งแนวคิดนี้ได้แหกกฎข้อที่สองของเทอร์โมไดนามิกส์!! ซึ่งเป็นเรื่องใหญ่มาก เพราะ ทฤษฎีต่าง ๆ ที่อ้างอิงกับกฎข้อนั้นจะมีปัญหาตามไปด้วย การแหกกฎซักข้อเปรียบได้กับล้มโดมิโน่ตัวแรก และจะตามมาด้วยการพังทลายของทฤษฎีต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้อง

แนวคิดของแมกซ์เวลล์ เริ่มต้นจากแบ่งกล่องที่บรรจุก๊าซเป็น 2 ฝั่ง (ฝั่งซ้ายกับขวา) และอุณหภูมิของทั้ง 2 ฝั่งเท่ากัน (อุณหภูมิของก๊าซทั้ง 2 ฝั่งเท่ากันด้วย) หมายความว่า โดยเฉลี่ยแล้วโมเลกุลของก๊าซของทั้ง 2 ฝั่ง จะมีความเร็วพอ ๆ กัน ตรงส่วนที่กั้นระหว่าง 2 ฝั่ง มีช่องเล็ก ๆ ที่พอให้โมเลกุลของก๊าซวิ่งข้ามระหว่าง 2 ฝั่งได้ โดยปกติแล้ว โอกาสที่ก๊าซที่วิ่งเร็ว (อุณหภูมิสูง) ของฝั่งซ้ายจะวิ่งข้ามมายังฝั่งขวาจะพอ ๆ กับที่ก๊าซฝั่งขวาจะวิ่งข้ามไปยังฝั่งซ้าย ทำให้ทั้ง 2 ฝั่ง อุณภูมิเท่ากันหรืออยู่ในภาวะสมดุล

จากนั้น แมกซ์เวลล์ก็จินตนาการว่า ตรงช่องเล็ก ๆ มีบานเลื่อนอยู่ โดยการเลื่อนเปิด-ปิดนั้นไม่ใช่พลังงานเลย เพราะบานเลื่อนเบามาก ๆ แล้วถ้าบานเลื่อนเปิด-ปิดในจังหวะที่เหมาะสม กล่าวคือ เลื่อนเปิดในตอนที่ก๊าซวิ่งเร็ว วิ่งจากขวาไปซ้าย และตอนที่ก๊าซวิ่งช้า วิ่งจากซ้ายไปขวา ผลลัพธ์จะทำให้ฝั่งซ้ายค่อย ๆ ร้อนขึ้น เพราะมีก๊าซวิ่งเร็วเยอะขึ้น และฝั่งขวาจะค่อย ๆ เย็นลง ซึ่งตรงนี้แหละที่แหกกฎข้อที่ 2 เพราะ ความร้อนจะไม่มีทางไหลจากที่ที่มีอุณหภูมิต่ำ ไปยังที่ที่มีอุณหภูมิสูงได้เอง โดยปราศจากการใส่พลังงานเข้าไป เช่น ตู้เย็นจะทำความเย็นได้ ต้องเสียบปลั๊ก

แล้วใครกันละที่เป็นคนเปิด-ปิดบานเลื่อน? แมกซ์เวลล์บอกว่าเป็นอะไรก็ได้ (ง่ายดีเนอะ) อาจจะเป็นปรากฏการณ์ธรรมชาติ, เป็นเครื่องจักร​, เป็น AI หรือแม้กระทั้งเป็นปีศาจ ลอร์ดเคลวิน หนึ่งในคนบัญญัติกฎข้อที่ 2 เรียกคนเปิด-ปิดบานเลื่อนนี้ว่า Maxwell’s Demon

นักฟิสิกส์ได้ถกเถียงเกี่ยวกับ แนวคิด Maxwell’s Demon มากว่าร้อย ๆ ปี ว่าแนวคิดนี้แหกกฎข้อที่ 2 หรือไม่ โดยในปัจจุบันก็ยังไม่ได้ข้อสรุป แต่คำตอบที่ยอมรับกันมากที่สุดคือ เวลาที่ปีศาจจะเปิด-ปิดบานเลื่อน มันจำเป็นต้องรู้ความเร็วของก๊าซในกล่อง ซึ่งการจะวัดความเร็วจำเป็นต้องใช้พลังงาน พูดง่าย ๆ คือ แม้ Maxwell’s Demon จะไม่ใช้พลังงานในการคัดเลือกโมเลกุลของก๊าซ แต่จำเป็นต้องใช้พลังงานเพื่อให้ทราบข้อมูลที่จำเป็นต่อการคัดเลือก