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맥스웰의 도깨비

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목차

1. 개요

맥스웰의 도깨비는 열역학 제2법칙에 대한 사고 실험으로, 제임스 클러크 맥스웰이 제시했다. 이 사고 실험은 온도 균일한 기체 분자를 구분하는 가상의 존재(악마)를 통해, 열역학 제2법칙을 위반하는 것처럼 보이는 상황을 묘사한다. 맥스웰의 도깨비는 열역학 제2법칙, 엔트로피, 정보 이론 등 다양한 과학적 개념과 관련되어 있으며, 롤프 란다우어, 레오 실라르드 등 여러 과학자들의 비판과 발전이 있었다. 최근에는 나노 기술, 생물학, 입자 물리학 등 다양한 분야에서 맥스웰의 도깨비와 유사한 원리를 적용하거나, 실험적으로 구현하려는 시도가 이루어지고 있다. 또한, 대중문화에서도 이 개념은 소설, 영화, 게임 등 다양한 형태로 활용되고 있다.

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맥스웰의 도깨비

2. 맥스웰의 사고 실험

열역학 제2법칙은 같은 온도를 가진 두 물체가 자발적으로 서로 온도가 달라지는 것은 불가능하다고 설명한다. 이는 통계적으로 불가능하며, 고립계의 엔트로피는 감소하지 않는다는 것을 의미한다.[6]

맥스웰은 열역학 제2법칙에 대한 이해를 돕기 위해 다음과 같은 사고 실험을 고안했다.

이 사고 실험은 1867년 12월 11일 맥스웰이 테이트에게 보낸 편지에 처음 등장했다. 이후 1871년 존 윌리엄 스트럿에게 보낸 편지에도 언급되었으며, 1872년 맥스웰의 열역학 저서인 ''열 이론''에서 대중에게 공개되었다.[2]

맥스웰은 이 존재를 "유한한 존재"라고 묘사했다. 윌리엄 톰슨 (켈빈 경)이 1874년 저널 ''네이처''에서 "도깨비"라는 단어를 사용하면서, 그리스 신화의 다이몬과 같은 초자연적인 존재를 의미하는 것으로 알려지게 되었다.[3][4][5]

2. 1. 맥스웰의 사고 실험 내용

열역학 제2법칙에 따르면, 같은 온도를 가진 두 물체가 스스로 온도가 달라지는 것은 불가능하다. 이는 통계적으로 불가능하며, 고립계의 엔트로피는 감소하지 않는다는 것을 의미한다.[6]

맥스웰은 이러한 열역학 제2법칙을 설명하기 위해 다음과 같은 사고 실험을 제시했다.[6][7]

맥스웰의 도깨비 개념도


맥스웰은 같은 온도의 기체로 채워진 A와 B 두 방을 가정했다. 작은 '도깨비'가 두 방 사이의 문을 지키면서 분자들을 관찰한다. A방에서 평균보다 빠른 분자가 문으로 오면 도깨비는 문을 열어 B방으로 보낸다. B방에서는 느린 분자를 A방으로 이동시킨다. 충분한 시간이 지나면 B방의 기체 분자들의 평균 속력은 A방보다 커진다. 평균 분자 속력은 온도와 같으므로, A방은 온도가 낮아지고 B방은 높아진다. 이는 열역학 제 2법칙에 위배된다.[2]

이 사고 실험은 1867년 맥스웰이 테이트에게 보낸 편지에 처음 등장했고, 이후 존 윌리엄 스트럿에게 보낸 편지와 1872년 맥스웰의 저서 ''열 이론''을 통해 공개되었다.[2]

맥스웰은 이 존재를 "유한한 존재"라고 묘사했지만, 윌리엄 톰슨 (켈빈 경)이 1874년 ''네이처''에서 "도깨비"라는 단어를 사용하면서 다이몬과 같은 초자연적인 존재를 의미하는 것으로 알려지게 되었다.[3][4][5]

맥스웰이 제안한 실험 내용은 다음과 같다(''열의 이론'', 1872년).[6][8]

1. 균일한 온도의 기체로 채워진 용기를 준비한다. 온도는 균일하지만, 개별 분자의 속도는 균일하지 않다.

2. 용기를 작은 구멍이 뚫린 칸막이로 A, B 두 부분으로 나누고, 분자를 볼 수 있는 '존재'가 구멍을 열고 닫는다고 가정한다.

3. 이 존재는 빠른 분자는 A에서 B로, 느린 분자는 B에서 A로만 통과시킨다.

4. 이 과정을 반복하면, '존재'는 일을 하지 않고도 A의 온도를 낮추고 B의 온도를 높일 수 있다. 이는 열역학 제2법칙에 위배된다.

켈빈은 이 '존재'를 '맥스웰의 지적인 악마'(Maxwell's intelligent demon)라고 불렀다.[6] 맥스웰은 통계역학이 개별 분자가 아닌 분자 집단만을 다루기 때문에 이 문제에 적용될 수 없음을 지적했다.

2. 2. 열역학 제2법칙과의 관계

열역학 제2법칙에 따르면, 같은 온도를 가진 두 물체가 서로 접촉하고 외부로부터 고립되어 있을 때, 자발적으로 온도가 달라지는 것은 통계적으로 불가능하다. 즉, 고립계의 엔트로피는 결코 감소하지 않는다.

맥스웰은 이러한 열역학 제2법칙을 설명하기 위해 다음과 같은 사고 실험을 제시했다.[6][7]

맥스웰은 같은 온도의 기체로 채워진 A와 B 두 방을 상상했다. 작은 '도깨비'가 두 방 사이의 문을 지키면서 분자들을 관찰한다. A방에서 평균보다 빠른 분자가 문으로 오면 도깨비는 문을 열어 B방으로 보낸다. B방에서는 느린 분자를 A방으로 이동시킨다. 충분한 시간이 지나면, B방의 기체 분자들의 평균 속력은 A방보다 커진다. 평균 분자 속력은 온도와 관련이 있으므로, A방은 온도가 낮아지고 B방은 높아진다. 이는 열역학 제2법칙에 위배되는 것처럼 보인다.[2]

이 사고 실험은 1867년 맥스웰이 테이트에게 보낸 편지에 처음 등장했고, 1871년 존 윌리엄 스트럿에게 보낸 편지, 그리고 1872년 맥스웰의 저서 ''열 이론''에서 공개되었다.[2]

맥스웰은 이 존재를 "유한한 존재"라고 묘사했지만, 윌리엄 톰슨(켈빈 경)이 1874년 ''네이처''에서 "도깨비"(demon영어)라는 용어를 처음 사용하면서, 그리스 신화의 다이몬과 같은 초자연적인 존재를 암시했다.[3][4][5]

악마는 온도 차이만 만들기 위해 양방향으로 분자가 통과하도록 해야 한다. 만약 평균보다 빠른 분자만 A에서 B로 통과시키면 B 쪽에 더 높은 온도와 압력이 발생한다.

맥스웰이 생각한 가상 실험 내용은 다음과 같다(''열의 이론'', 1872년).

1. 균일한 온도의 기체로 채워진 용기를 준비한다. 이때 온도는 균일하지만 개별 분자의 속도는 균일하지 않다.

2. 용기를 작은 구멍이 뚫린 칸막이로 A, B 두 부분으로 나누고, 분자를 볼 수 있는 '존재'가 구멍을 열고 닫는다.

3. 이 존재는 빠른 분자만 A에서 B로, 느린 분자만 B에서 A로 통과시킨다.

4. 이 과정을 반복하면, 일을 하지 않고도 A의 온도를 낮추고 B의 온도를 높일 수 있다. 이는 열역학 제2법칙과 모순된다.

켈빈은 이 '존재'를 '맥스웰의 지적인 도깨비'(Maxwell's intelligent demon영어)라고 불렀다.[4] 맥스웰은 통계역학이 개별 분자의 역학을 다루지 않고 분자 집단만을 통계적으로 다루기 때문에 이 문제에 적용될 수 없음을 지적했다.

3. 비판과 발전

맥스웰의 사고 실험은 발표된 이후 물리학자들 사이에서 많은 논쟁을 불러일으켰다. 주요 비판과 그로 인한 이론적 발전은 다음과 같이 요약될 수 있다.


  • 초기 비판 및 반론:
  • 여러 물리학자들은 맥스웰의 도깨비가 열역학 제2법칙을 위반하지 않는다고 주장했다. 이들은 도깨비가 분자를 분류하는 과정에서 엔트로피 감소량보다 더 많은 엔트로피를 생성할 수밖에 없다고 지적했다.[6][8][9]
  • 1929년 실라르드 레오는 도깨비가 분자의 속력을 측정하고 정보를 획득하는 과정에서 에너지를 소비해야 한다고 주장했다.[10] 레옹 브릴루앵 역시 비슷한 주장을 펼쳤다.[6][8]
  • 란다우어의 원리와 정보 삭제:
  • 1960년 롤프 란다우어는 열역학적으로 가역적인 측정 과정에서는 엔트로피 증가가 필요하지 않다는 점을 지적했다.[6][8][11]
  • 1982년 찰스 H. 베넷(컴퓨터 과학자)은 도깨비가 정보를 무한정 저장할 수 없으며, 결국 저장 공간이 부족해져 정보를 삭제해야 한다는 점을 밝혔다.[8][12] 정보 삭제는 비가역적인 과정이므로 엔트로피를 증가시킨다.
  • 란다우어의 원리에 따르면 정보를 삭제하여 소산되는 최소 에너지는 2012년 에릭 루츠 등이 실험적으로 측정했다. 또한, 루츠 등은 란다우어의 한계에 접근하기 위해서는 시스템이 점근적으로 0의 처리 속도에 접근해야 함을 확인했다.[13]
  • 비평형 통계 역학의 발전:
  • 1990년대 이후 비평형 통계 역학의 발전으로 미소 계에서는 열역학 제2법칙이 확률적으로 깨질 수 있다는 사실이 밝혀졌다.[51]
  • 란다우어의 원리는 특수한 경우에만 해당하며, 일반적으로는 정보 소거와 측정에 필요한 작업 사이에 트레이드오프가 있고, 그들의 합에 하한이 존재한다.
  • 상호 정보량 를 사용하여 꺼낼 수 있는 일은 최대 임을 나타내고 있다. : .[52]
  • 실라르드의 통찰:
  • 레오 실라드는 1929년에 맥스웰의 모델을 단순화하여 1 분자만을 가둔 '''실라드의 엔진''' (후술) 모델을 사용하여, 악마가 같은 크기의 2개의 방 중 어느 쪽에 분자가 있는지를 관찰함으로써, 열역학의 단위로 ΔS영어 = ''k'' ln 2 (''k''는 볼츠만 상수) 만큼의 엔트로피가 감소하는 것을 나타냈다.[43]
  • 실라르드는 엔트로피와 정보를 얻는다는 것 사이에 깊은 연결이 있음을 보여주었으며, 볼츠만 상수가 정보량 단위와 물리학 단위를 변환하는 비례 상수임을 밝혀냈다.
  • 논쟁과 지속적인 연구
  • 존 이어먼과 존 D. 노턴은 맥스웰의 도깨비에 대한 실라르드와 란다우어의 설명은 도깨비에 의해 열역학 제2법칙이 위반될 수 없다는 것을 가정하고, 정보 삭제 시 에너지 소비의 필요성 등, 이 가정으로부터 도깨비의 추가적인 특성을 도출하는 것으로 시작한다고 주장했다.[15][16] 베넷은 이후 이어먼과 노턴의 주장의 타당성을 인정하면서도 란다우어의 원리가 실제 시스템이 열역학 제2법칙을 위반하지 않는 메커니즘을 설명한다고 주장했다.[17]
  • 1970년에 올리버 펜로즈는 베넷과 마찬가지로 악마의 기억 소거가 환경으로의 엔트로피 증대를 초래한다는 통찰을 제시하였다.[49]
  • "정보 소거는 논리적으로 비가역적이므로, 열역학적으로도 비가역적이다"라는 논의가 이루어지지만, 사카와 타카히로에 따르면 이는 오류이다.[50]


이러한 비판과 발전은 맥스웰의 도깨비라는 사고 실험을 통해 열역학, 정보 이론, 비평형 통계 역학 등 물리학의 여러 분야가 발전하는 계기가 되었다. 특히, 정보와 엔트로피의 관계에 대한 이해는 현대 정보 과학의 발전에도 큰 영향을 미쳤다.

3. 1. 초기 비판과 반론

몇몇 물리학자들은 더 심도있는 분석을 한 결과, 열역학 제2법칙은 깨지지 않는다고 결론지었다. 물리학자들의 분석의 핵심은 도깨비가 분자를 분류하면서, 감소하는 엔트로피보다 더 많은 엔트로피를 만들어 낼 수밖에 없다는 것이다. A와 B 사이의 온도 차이로 생긴 에너지보다 분자의 속력을 측정하고 기체 분자를 선택적으로 A와 B 사이의 문을 통과하게 만드는 데에 더 많은 일이 든다.[6][8][9]

이 물음에 대한 가장 유명한 답변은 1929년 실라르드 레오가 제안했고,[10] 그 후에는 레옹 브릴루앵이 제안했다.[6][8] 실라르드는 실제 세계에서 맥스웰의 도깨비는 분자의 속력을 측정할 수단이 필요하고 정보를 수집하는 행동은 에너지를 소모한다고 지적했다. 도깨비는 기체와 상호작용하기 때문에 기체와 도깨비를 함께 포함하는 계(system)의 엔트로피를 고려해야 한다. 도깨비에 의한 에너지 지출은 도깨비의 엔트로피 증가를 낳고, 이것은 기체의 줄어든 엔트로피보다 클 것이다.

1960년, 롤프 란다우어는 이 주장에 대한 예외를 제기했다.[6][8][11] 그는 일부 측정 과정이 열역학적으로 가역적인 한 열역학적 엔트로피를 증가시킬 필요가 없다는 것을 깨달았다. 그는 이러한 "가역적" 측정이 분자를 분류하는 데 사용될 수 있으며, 이는 제2법칙을 위반한다고 제안했다. 그러나 열역학의 엔트로피와 정보 이론 사이의 관계 때문에, 기록된 측정이 지워져서는 안 된다는 것을 의미하기도 했다. 즉, 분자를 통과시킬지 여부를 결정하기 위해 도깨비는 분자의 상태에 대한 정보를 획득하고 이를 버리거나 저장해야 한다. 버리는 것은 즉시 엔트로피를 증가시키지만, 도깨비는 이를 무한정 저장할 수 없다. 1982년, 찰스 H. 베넷(컴퓨터 과학자)은 아무리 잘 준비되어 있어도 결국 도깨비는 정보 저장 공간이 부족해져 이전에 수집한 정보를 지우기 시작해야 한다고 밝혔다.[8][12] 정보를 지우는 것은 열역학적으로 비가역적인 과정이며, 시스템의 엔트로피를 증가시킨다. 베넷은 맥스웰 도깨비가 엔트로피가 생성되기 때문에 제2법칙을 위반할 수 없다는 실라르드의 1929년 논문과 동일한 결론에 도달했지만, 다른 이유로 결론에 도달했다. 란다우어의 원리와 관련하여, 정보를 삭제하여 소산되는 최소 에너지는 2012년 에릭 루츠 등이 실험적으로 측정했다. 또한, 루츠 등은 란다우어의 한계에 접근하기 위해서는 시스템이 점근적으로 0의 처리 속도에 접근해야 함을 확인했다.[13]

존 이어먼과 존 D. 노턴은 맥스웰의 도깨비에 대한 실라르드와 란다우어의 설명은 도깨비에 의해 열역학 제2법칙이 위반될 수 없다는 것을 가정하고, 정보 삭제 시 에너지 소비의 필요성 등, 이 가정으로부터 도깨비의 추가적인 특성을 도출하는 것으로 시작한다고 주장했다.[15][16] 따라서, 이러한 도출된 특성을 사용하여 도깨비적 논증으로부터 제2법칙을 옹호하는 것은 순환 논법이 될 것이다. 베넷은 이후 이어먼과 노턴의 주장의 타당성을 인정하면서도 란다우어의 원리가 실제 시스템이 열역학 제2법칙을 위반하지 않는 메커니즘을 설명한다고 주장했다.[17]

레오 실라드는 1929년에 맥스웰의 모델을 단순화하여 1 분자만을 가둔 '''실라드의 엔진''' (후술)이라고 불리는 모델을 사용하여, 도깨비가 같은 크기의 2개의 방 중 어느 쪽에 분자가 있는지를 관찰함으로써, 열역학의 단위로 ΔS영어 = ''k'' ln 2 만큼의 엔트로피가 감소하는 것을 나타냈다.[43] 단, ''k''는 볼츠만 상수이다. 이 ΔS영어는 현재 1 비트라고 불리는 정보량과 다름없다. 실라드의 통찰은, 원래 기체 운동에 대해 구축된 개념인 엔트로피와, 정보를 얻는다는 것, 혹은 지식을 갖는다는 것 사이에 깊은 연결이 있음을 보여주었으며, 또한, 볼츠만 상수는 사실 정보량의 단위와 물리학의 단위를 변환하는 비례 상수임을 밝혀냈다. 실라드는, 전체 계의 엔트로피는 감소하지 않아야 하므로, 도깨비가 관측에 의해 정보를 얻음으로써 그 이상의 엔트로피 상승을 동반할 것이라고 결론지었다.

레옹 브릴루앙과 데니스 가보르는 1951년, 각각 독립적으로 도깨비를 빛에 의한 관측으로 대체하여 물리적 해석을 수행하여, 그 관측 과정에서 상응하는 엔트로피의 증대가 일어나는 것을 나타냈다.[44][45]

1973년, IBM의 찰스 베넷은, 열역학적으로 가역적인 (원상태로 되돌릴 수 있는) 관측이 가능하며, 이러한 관측에서는 브릴루앙 등이 지적한 것과 같은 엔트로피의 증대가 필요하지 않다는 것을 나타냈다.[46]

1961년, 란다우어에 의해, 컴퓨터에서의 기억의 소거가, 브릴루앙이 주장한 관측에 의한 엔트로피의 증대와 같은 정도의 엔트로피 증대를 필요로 한다는 것이 나타났다 (란다우어의 원리)[47]. 베넷이 되살린 문제는, 이 란다우어의 원리와 조합함으로써 베넷 자신에 의해 해결되었다 (1982년)[48]. 엔트로피의 증대는, 관측을 행했을 때가 아니라, 오히려 행한 관측 결과를 "잊을" 때 일어난다. 즉, 도깨비가 분자의 속도를 관측할 수 있어도 관측한 속도의 정보를 기억할 필요가 있지만, 도깨비가 반복해서 일하기 위해서는 창의 개폐가 종료된 시점에서 다음 분자를 위해 그 정보의 기억을 소거해야 한다. 정보의 소거는 이전 분자의 속도가 빠른 경우도 느린 경우도 같은 상태로 천이시킬 필요가 있으며, 열역학적으로 비가역적인 과정이다.

1970년에 올리버 펜로즈에 의해서도 독립적으로 같은 통찰이 이루어졌다.[49]

"정보 소거는 논리적으로 비가역적이므로, 열역학적으로도 비가역적이다"라는 논의가 이루어지지만, 사카와 타카히로에 따르면 이는 오류이다.[50]

3. 2. 실라르드의 엔진

실라르드는 1929년에 맥스웰의 도깨비를 단순화한 모델인 '''실라르드의 엔진'''을 제안했다.[43] 이 엔진은 하나의 분자만을 포함하는 용기를 사용하며, '도깨비'는 분자가 용기의 어느 쪽에 있는지 관찰하고, 그 결과에 따라 칸막이를 움직여 열을 일로 변환한다.

실라르드의 엔진은 다음 세 단계로 작동한다.

단계설명도깨비의 메모리 상태비고
(a) 관찰용기 중앙에 칸막이를 설치하고, 도깨비는 분자가 좌우 어느 쪽에 있는지 관찰한다.R (오른쪽) 또는 L (왼쪽)도깨비는 기체로부터 1비트의 정보를 얻고, 기체와 메모리 사이에 상관관계가 형성된다.
(b) 열에서 일로 변환분자가 있는 쪽에 따라 칸막이를 움직여 등온 과정으로 열을 일로 변환한다.변화 없음주변의 열 Q를 일 W로 변환하며, 이때 kT영어 ln 2만큼의 에너지를 얻는다.
(c) 기억 삭제도깨비의 메모리 상태 (R 또는 L)를 초기 상태 (0)로 되돌린다.0란다우어의 원리에 따라, 얻은 일 W 이상의 에너지를 열로 방출해야 한다.



실라르드는 이 모델을 통해, 정보를 얻는 행위(관찰)와 엔트로피 감소 사이에 관계가 있음을 보였다.[43] 즉, 도깨비가 분자의 위치를 관찰하여 얻는 1비트의 정보는, 열역학적 엔트로피 감소(ΔS영어 = k영어 ln 2)와 같다. 여기서 k영어는 볼츠만 상수이다.

실라르드의 통찰은 기체 운동에 대한 개념인 엔트로피와 정보를 얻는다는 것 사이에 깊은 연결이 있음을 보여주었으며, 볼츠만 상수가 정보량 단위와 물리학 단위를 변환하는 비례 상수임을 밝혀냈다. 실라드는 전체 계의 엔트로피는 감소하지 않아야 하므로, 도깨비가 관측으로 정보를 얻으면 그 이상의 엔트로피 상승을 동반할 것이라고 결론지었다.

하지만, 찰스 베넷은 1973년에 열역학적으로 가역적인 관측이 가능하며, 이러한 관측에는 엔트로피 증가가 필요하지 않음을 보였다.[46] 1982년, 베넷은 란다우어의 원리를 통해, 엔트로피 증가는 관측 시점이 아니라, 관측 결과를 "잊을" 때, 즉 도깨비가 메모리를 삭제할 때 발생한다고 주장했다.[48] 도깨비가 반복적으로 작동하려면 이전 관측 정보를 지워야 하는데, 이는 비가역적인 과정이므로 엔트로피 증가를 유발한다.

결론적으로, 실라르드의 엔진은 맥스웰의 도깨비 문제를 정보 이론과 연결하여, 정보 획득 및 삭제 과정과 엔트로피 변화 사이의 관계를 밝히는 데 기여했다.

3. 3. 정보 엔트로피와 란다우어의 원리

레오 실라르드는 1929년에 맥스웰의 도깨비가 분자의 속력을 측정하려면 에너지를 소모해야 한다고 지적했다.[10] 이는 도깨비가 기체와 상호작용하기 때문에, 기체와 도깨비를 함께 포함하는 계(system)의 엔트로피를 고려해야 한다는 것을 의미한다. 도깨비가 에너지를 소비하면 도깨비 자체의 엔트로피가 증가하고, 이는 기체의 엔트로피 감소보다 클 것이라고 예상했다. 레옹 브릴루앵도 비슷한 주장을 펼쳤다.[6][8]

1990년대 이후 비평형 통계 역학의 발전에 의해, 미소 계에서의 열역학 제2법칙이 약간의 확률로 깨지는 것이 밝혀졌고, 그 확률도 특정되었다.

란다우어의 원리와 베넷의 논증은 실라르드 엔진 (엔진과 도깨비의 복합 시스템) 전체 사이클 과정의 일관성만을 설명하지만, 작은 변동 시스템에 대한 비평형 열역학을 기반으로 한 최근의 접근 방식은 각 하위 시스템에서 각 정보 프로세스에 대한 더 깊은 통찰력을 제공했다. 이러한 관점에서, 측정 프로세스는 엔진과 도깨비 사이의 상관 관계(상호 정보)가 증가하여 상호 정보의 양만큼 시스템의 엔트로피가 감소하는 과정으로 간주된다. 상관 관계가 변경되면 각 하위 시스템에 대한 열역학 관계(예: 열역학 제2법칙 및 요동 정리)가 수정되어야 하며, 외부 제어의 경우 상호 정보를 포함하는 제2법칙과 유사한 부등식과 일반화된 요동 정리가 충족된다. 생물학적 정보 처리를 포함한 보다 일반적인 정보 프로세스의 경우, 상호 정보를 포함하는 부등식과 등식이 모두 성립한다. 반복적인 측정이 수행되면, 시스템의 엔트로피 감소는 측정 간의 상관 관계에 따른 정보 감소를 고려하는 측정 시퀀스의 엔트로피로 주어진다.

이 문제는 1세기 이상 과학자들을 괴롭혔다. 맥스웰이 말한 대로 이 "악마"의 행동에 에너지의 산란이 필요하지 않아 보이지만, 이를 인정하면 영구 기관도 쉽게 실현할 수 있게 된다. 이 악마를 물리치기 위해서는, 악마의 행동이 애초에 물리적으로 어떤 것인지를 해명할 필요가 있었다. 이것은 관찰을 통해 정보를 얻는다는 정보론적인 개념과, 통계 역학, 더 나아가 열역학과의 관계를 묻는 문제이며, 양자론과는 다른 각도에서 물리학에게 관측이란 무엇인가라는 문제를 제기하는 것이었다. 이 문제와 씨름하는 과정에서, 현재의 정보 과학으로 이어지는 중요한 지견이 생겨났다.

레오 실라드는 1929년에 맥스웰의 모델을 단순화하여 1 분자만을 가둔 '''실라드의 엔진''' (후술) 모델을 사용하여, 악마가 같은 크기의 2개의 방 중 어느 쪽에 분자가 있는지를 관찰함으로써, 열역학의 단위로 ΔS영어 = ''k'' ln 2 (''k''는 볼츠만 상수) 만큼의 엔트로피가 감소하는 것을 나타냈다.[43] 이 ΔS영어는 현재 1 비트라고 불리는 정보량과 같다. 실라드는 원래 기체 운동에 대해 구축된 개념인 엔트로피와 정보를 얻는다는 것 사이에 깊은 연결이 있음을 보여주었으며, 볼츠만 상수가 정보량의 단위와 물리학의 단위를 변환하는 비례 상수임을 밝혀냈다. 그는 전체 계의 엔트로피는 감소하지 않아야 하므로, 악마가 관측으로 정보를 얻음으로써 그 이상의 엔트로피 상승을 동반할 것이라고 결론지었다.

레옹 브릴루앙과 데니스 가보르는 1951년, 각각 독립적으로 악마를 빛에 의한 관측으로 대체하여 물리적 해석을 수행하여, 그 관측 과정에서 상응하는 엔트로피의 증대가 일어나는 것을 나타냈다.[44][45]

3. 3. 1. 란다우어의 원리와 정보 삭제

롤프 란다우어는 1960년에 어떤 측정 방법이 열역학적으로 가역적이라면 열역학적 엔트로피 증가가 필요하지 않음을 발견했다.[6][8][11] 이는 열역학의 엔트로피와 정보 이론 사이의 관계 때문에 기록된 측정은 지워져선 안 된다는 것을 의미했다. 즉, 맥스웰의 도깨비는 분자의 상태에 대한 정보를 획득하고 이를 버리거나 저장해야 하는데, 버리는 것은 즉시 엔트로피를 증가시키지만, 무한정 저장할 수는 없다.

1982년, 찰스 H. 베넷(컴퓨터 과학자)은 도깨비의 정보 저장 공간이 가득 차면 이전에 수집한 정보를 지우기 시작해야 한다고 밝혔다.[8][12] 정보를 지우는 것은 열역학적으로 비가역적인 과정이며, 시스템의 엔트로피를 증가시킨다. 베넷은 맥스웰 도깨비가 엔트로피가 생성되기 때문에 열역학 제2법칙을 위반할 수 없다는 실라르드 레오의 1929년 논문과 동일한 결론에 도달했지만, 다른 이유(정보 삭제)로 결론에 도달했다.

란다우어의 원리에 따르면 정보를 삭제하여 소산되는 최소 에너지는 2012년 에릭 루츠 등이 실험적으로 측정했다. 또한, 루츠 등은 란다우어의 한계에 접근하기 위해서는 시스템이 점근적으로 0의 처리 속도에 접근해야 함을 확인했다.[13]

최근 란다우어의 원리는 통계 물리학의 겉보기에는 관련 없는 역설인 로슈미트의 역설을 해결하기 위해서도 적용되었다.[14]

존 이어먼과 존 D. 노턴은 실라르드와 란다우어의 설명은 도깨비에 의해 열역학 제2법칙이 위반될 수 없다는 것을 가정하고, 정보 삭제 시 에너지 소비의 필요성 등, 이 가정으로부터 도깨비의 추가적인 특성을 도출하는 것으로 시작한다고 주장했다.[15][16] 베넷은 이후 이어먼과 노턴의 주장의 타당성을 인정하면서도 란다우어의 원리가 실제 시스템이 열역학 제2법칙을 위반하지 않는 메커니즘을 설명한다고 주장했다.[17]

1980년대부터 널리 받아들여져 온 "정보의 소거를 생각함으로써 처음으로, 데몬(악마)과 (열역학) 제2법칙의 정합성을 이해할 수 있다"는 주장은 타당하지 않다. 데몬과 제2법칙의 정합성을 이해하기 위해 정보 소거를 생각할 필요는 없다.[50]

오리지널 란다우어의 원리는 대칭 메모리라는 특수한 상황에 한정되며, 보다 일반적으로는 소거와 측정에 필요한 일에 트레이드오프가 있으며, 그들의 합에 대해 하한이 존재하는 것이다. 더욱이, 상호 정보량 를 사용하여 꺼낼 수 있는 일은 최대 임을 나타내고 있다.

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이것이 맥스웰의 악마와 열역학 제2법칙과의 정합성에 관한 현재의 해석이다.[52]

3. 4. 양자 역학과 맥스웰의 도깨비

여러 물리학자들은 맥스웰의 도깨비를 포함한 전체 시스템을 분석하면 열역학 제2법칙이 실제로 위반되지 않는다는 계산 결과를 제시했다.[6][8][9] 1929년 실라르드 레오는 실제 맥스웰의 도깨비는 분자 속도를 측정하는 수단이 필요하며, 정보를 얻는 행위는 에너지 소비를 필요로 한다고 지적했다.[10] 도깨비와 기체는 상호 작용하므로 기체와 도깨비의 총 엔트로피를 함께 고려해야 한다. 도깨비의 에너지 소비는 도깨비의 엔트로피를 증가시키며, 이는 기체의 엔트로피 감소보다 더 클 것이다.

1960년, 롤프 란다우어는 일부 측정 과정이 열역학적으로 가역적인 한 열역학적 엔트로피를 증가시킬 필요가 없다는 것을 발견했다.[6][8][11] 그는 이러한 "가역적" 측정이 분자를 분류하는 데 사용될 수 있으며, 이는 제2법칙을 위반한다고 제안했다. 그러나 열역학의 엔트로피와 정보 이론 사이의 관계 때문에, 기록된 측정은 지워져서는 안 된다는 것을 의미하기도 했다.

1982년, 찰스 H. 베넷(컴퓨터 과학자)은 도깨비는 정보 저장 공간이 부족해져 이전에 수집한 정보를 지우기 시작해야 한다고 밝혔다.[8][12] 정보를 지우는 것은 열역학적으로 비가역적인 과정이며, 시스템의 엔트로피를 증가시킨다. 베넷은 맥스웰 도깨비가 엔트로피가 생성되기 때문에 제2법칙을 위반할 수 없다는 실라르드의 1929년 논문과 동일한 결론에 도달했지만, 다른 이유로 결론에 도달했다.

존 이어먼과 존 D. 노턴은 맥스웰의 도깨비에 대한 실라르드와 란다우어의 설명은 도깨비에 의해 열역학 제2법칙이 위반될 수 없다는 것을 가정하고, 이 가정으로부터 도깨비의 추가적인 특성을 도출하는 것으로 시작한다고 주장했다.[15][16] 베넷은 이후 이어먼과 노턴의 주장의 타당성을 인정하면서도 란다우어의 원리가 실제 시스템이 열역학 제2법칙을 위반하지 않는 메커니즘을 설명한다고 주장했다.[17]

레오 실라드는 1929년에 1 분자만을 가둔 '''실라드의 엔진'''을 사용하여, 악마가 같은 크기의 2개의 방 중 어느 쪽에 분자가 있는지를 관찰함으로써, 열역학 단위로 ΔS영어 = ''k'' ln 2 만큼의 엔트로피가 감소하는 것을 나타냈다.[43] (k는 볼츠만 상수)

1951년, 레옹 브릴루앙과 데니스 가보르는 악마를 빛에 의한 관측으로 대체하여 물리적 해석을 수행하여, 그 관측 과정에서 상응하는 엔트로피의 증대가 일어나는 것을 나타냈다.[44][45]

1973년, 찰스 베넷은 열역학적으로 가역적인 (원상태로 되돌릴 수 있는) 관측이 가능하며, 이러한 관측에서는 브릴루앙 등이 지적한 것과 같은 엔트로피의 증대가 필요하지 않다는 것을 나타냈다.[46] 1961년, 란다우어는 컴퓨터에서의 기억 소거가 브릴루앙이 주장한 관측에 의한 엔트로피 증대와 같은 정도의 엔트로피 증대를 필요로 한다는 것을 나타냈다 (란다우어의 원리)[47]. 베넷은 이 란다우어의 원리와 조합함으로써 엔트로피 증대는 관측을 행했을 때가 아니라, 오히려 행한 관측 결과를 "잊을" 때 일어난다고 설명하였다. (1982년)[48]

1970년에 올리버 펜로즈는 베넷과 마찬가지로 악마의 기억 소거가 환경으로의 엔트로피 증대를 초래한다는 통찰을 제시하였다.[49]

1990년대 이후 비평형 통계 역학의 발전에 의해, 미소 계에서의 열역학 제2법칙이 약간의 확률로 깨지는 것이 밝혀졌고, 그 확률도 특정되었다.[51]

란다우어의 원리는 대칭 메모리라는 특수한 상황에 한정되며, 보다 일반적으로는 소거와 측정에 필요한 일에 트레이드오프가 있으며, 그들의 합에 대해 하한이 존재한다. 상호 정보량 를 사용하여 꺼낼 수 있는 일은 최대 임을 나타내고 있다.

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이것이 맥스웰의 도깨비와 열역학 제2법칙과의 정합성에 관한 현재의 해석이다.[52]

3. 5. 비평형 통계 역학

1990년대 이후 비평형 통계 역학의 발전을 통해, 미소 계에서 열역학 제2법칙이 약간의 확률로 깨질 수 있으며, 그 확률도 특정할 수 있다는 사실이 밝혀졌다.[51]

란다우어의 원리는 대칭 메모리라는 특수한 상황에만 한정되며, 보다 일반적으로는 소거와 측정에 필요한 일에 트레이드오프가 있고, 그들의 합에 하한이 존재한다. 상호 정보량 를 사용하여 꺼낼 수 있는 일은 최대 이다.

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이것이 맥스웰의 도깨비와 열역학 제2법칙의 정합성에 관한 현재의 해석이다.[52]

4. 적용 및 실험적 연구

입자 물리학에서 사용되는 '단일 원자 덫'은 맥스웰의 도깨비와 유사하게 개별 양자의 상태를 조절하는 실험이다. 분자 수준의 기전은 생물학 외에도 나노기술 분야에서 연구되고 있다.

2007년 네이처지에 데이비드 레이 에든버러 대학교 교수는 이 사고실험에 근거한 나노장치를 만들었다고 발표했다. 이 장치는 화학 평형 상태로부터 화학계를 구동시킬 수 있지만, 외부 에너지원(빛)으로 구동되므로 열역학을 위반하지 않는다.

2009년 마크 G. 레이즌은 가스 내의 개별 원자를 에너지에 따라 다른 용기에 분류하는, 맥스웰이 구상한 과정을 실현하는 레이저 원자 냉각 기술을 개발했다.[6][31][32]

2014년 페콜라 등은 실라르드 엔진의 실험적 실현을 시연했고,[34][35] 1년 후, 정보를 추출하고 피드백을 적용하여 엔트로피를 줄이는 자율 맥스웰 도깨비를 발표했다.[37] 2016년에는 정보를 연료로 사용해 회로 소자를 냉각하는 방법을 보였다.[38]

NTT 물성과학기초연구소는 2017년에 트랜지스터 내 전자 1개의 움직임을 관측하고 조작하는 기술을 개발, 열 잡음에서 한 방향으로 움직이는 전자만 골라 전류를 흐르게 하여 에너지 생성에 성공했다.[54]

4. 1. 실제 적용 사례

실제 생활에서 맥스웰의 도깨비와 유사한 현상들이 관찰되지만, 이들은 엔트로피 감소를 다른 곳에서의 엔트로피 증가로 상쇄시킨다.[26]

입자 물리학에서 사용되는 '단일 원자 덫'은 맥스웰의 도깨비와 유사하게 개별 양자의 상태를 조절하는 실험이다. 분자 수준의 기계는 생물학 외에도 나노기술 분야에서 연구되고 있다.

상업적으로 이용 가능한 공기 장치인 'Ranque-Hilsch vortex tube'는 찬 기체와 뜨거운 기체를 분리하는데, 이는 각운동량 보존 법칙을 이용하여 분자를 분류한다. 뜨거운 분자는 튜브 바깥쪽에서, 찬 분자는 튜브 안쪽에서 회전하며, 서로 다른 온도의 기체가 튜브 양쪽 끝으로 배출된다. 이 과정에서 온도 차이가 발생하지만, 필요한 에너지는 튜브 내 기체를 움직이는 압력에 의해 제공된다.

가설적인 그림자 물질이 존재한다면, 맥스웰의 도깨비는 제2종 영구기관처럼 작동하여 한 저장소에서 열에너지를 추출하여 일을 할 수 있다. 그러나 이는 도깨비가 그림자 물질의 양자를 제거하여 엔트로피 비용을 지불하기 때문에 열역학 제2법칙을 위반하지 않는다.[27]

2010년, 토리야베 쇼이치, 사카와 타카히로 등은 정보가 열에너지로 변환될 수 있음을 확인했다고 발표했다.[53]

2017년, NTT물성과학기초연구소는 트랜지스터 내 전자 하나의 움직임을 관측하고, 그 결과에 따라 트랜지스터를 조작하는 기술을 개발했다. 이 기술을 통해 열 잡음에서 한 방향으로 움직이는 전자만을 골라 전류를 흘려 에너지를 생성하는 데 성공했다.[54] NTT는 다음과 같은 과정으로 '도깨비'의 동작을 구현했다.

# 입구 문을 열어 입구와 전자 상자 사이 전자의 무작위 열 운동을 관측한다.

# 전자가 전자 상자에 들어오면 입구 문을 닫아 전자를 가둔다.

# 출구 문을 열어 전자 상자와 출구 사이 전자의 무작위 열 운동을 관측한다.

# 전자가 전자 상자에서 나가면 출구 문을 닫아 전자를 출구로 내보낸다.

이 과정에서 도깨비(실리콘 단전자 장치)는 전자의 움직임을 관측하고 정보를 얻는 데 에너지를 사용하며, 이것이 전류를 흐르게 하는 전원 역할을 한다. 1비트의 정보를 얻기 위해서는 일정한 양의 에너지가 필요하다.

4. 1. 1. 나노 기술

분자 크기의 메커니즘은 더 이상 생물학에서만 발견되지 않으며, 나노기술이라는 새로운 분야의 주제이기도 하다.[26] 세포 내 등 생명 시스템에서는 브라운 래칫 등으로 불리는 분자의 열 운동에서 한 방향의 동작을 꺼내는 모델이 이온 펌프나 분자 모터에 관해 제안되었으며, 이것들은 맥스웰의 도깨비와 유사하다. 또한 분자 기계로서 유사한 구조를 만들려는 시도도 이루어지고 있다.

4. 1. 2. 생물학

분자 크기의 메커니즘은 생물학뿐만 아니라 나노기술 분야에서도 연구되고 있다.[26] 세포 내에서는 브라운 래칫과 같이 분자의 열 운동을 이용하여 한 방향으로 움직이는 이온 펌프나 분자 모터 등이 제안되었는데, 이는 맥스웰의 도깨비와 유사하다. 이러한 분자 기계 구조를 인공적으로 만들려는 시도도 이루어지고 있다.

4. 1. 3. 입자 물리학

입자 물리학자들은 '단일 원자 덫'과 같은 실험을 통해 맥스웰의 도깨비와 유사하게 개별 양자 상태를 조절한다.[26] 여기에는 레이저를 사용하여 원자를 냉각시키고 가두는 기술이 포함된다.

4. 2. 실험적 검증

2007년 2월 1일, '네이처'지에 데이비드 레이 에든버러 대학교 교수가 맥스웰의 도깨비 사고실험에 기반한 나노장치를 만들었다고 발표했다. 이 장치는 외부 에너지원(빛)으로 구동되어 화학 평형 상태에서 벗어나게 할 수 있지만, 열역학을 위반하지는 않는다. 레이는 장치에 빛을 비추면 축 중심부가 두꺼워져 반지( 로탁산 )의 움직임을 제한하는 방식으로, A쪽에 있을때는 움직이지 않도록 하여 B쪽에서 A쪽으로 이동시켜 불균형을 만들었다. 레이는 이 실험에서 '수십억 개의 장치'를 50:50 평형에서 70:30 불균형으로 몇 분 만에 만들었다고 밝혔다.

분자 도깨비라고 불리는 맥스웰 도깨비의 현실 버전이 존재하지만, 엔트로피 감소 효과가 다른 곳의 엔트로피 증가로 균형을 이룬다.[26] 입자 물리학자들이 사용하는 단일 원자 트랩은 실험자가 맥스웰의 도깨비와 유사하게 개별 양자 상태를 제어할 수 있게 한다.

가설적인 거울 물질이 존재한다면, "단 하나의 저장고에서 열 에너지를 추출하고, 이를 사용하여 일을 수행하며, 나머지 일반 세계와 격리될 수 있는 영구 기관과 같은 역할을 할 수 있는" 도깨비를 상상할 수 있다. 하지만, 도깨비들이 거울 광자를 방출함으로써 세계의 숨겨진(거울) 부분에서 엔트로피 비용을 지불하기 때문에 열역학 제2법칙은 위반되지 않는다.[27]

마크 G. 레이즌은 가스 내 개별 원자를 에너지에 따라 다른 용기에 분류하는, 맥스웰이 구상한 과정을 실현하는 레이저 원자 냉각 기술을 개발했다.[6][31][32] 이와 유사한 개념으로 곤잘로 무가와 안드레아스 루쉬하우프트는 "원자 다이오드"를 개발했다. 레이즌 그룹은 2008년 실험에서 일방향 벽을 사용하여 원자를 냉각시키는 것을 시연했고, 같은 해 후반에 다니엘 슈테크와 공동 연구자들은 원자를 위한 일방향 벽 작동을 시연했다. 레이즌 그룹의 냉각 방법은 "단일 광자 냉각"이라고 불렸다. 2006년 레이즌, 무가, 루쉬하우프트는 이론 논문에서 각 원자가 일방향 벽을 통과할 때 하나의 광자를 산란시켜 에너지 정보를 얻는 과정을 보였다. 일방향 레이저에서 산란된 복사장의 엔트로피 증가는 원자 포획으로 인한 엔트로피 감소와 균형을 이룬다. 이 기술은 온도 차이를 만들기 때문에 "맥스웰의 악마"로 묘사되지만, 열역학 제2법칙을 위반하지 않고,[6][33] 유용한 에너지를 생산할 수 없다.[6][33]

2014년, 페콜라 등은 실라르드 엔진의 실험적 실현을 시연했고,[34][35] 1년 후, 정보를 추출하고 피드백을 적용하여 엔트로피를 줄이는 자율 맥스웰 도깨비를 발표했다.[37] 2016년에는 정보를 연료로 사용해 회로 소자를 냉각하는 방법을 보였다.[38] 또한, 큐비트 회로가 양자 실라르드 엔진 연구 기반을 제공할 수 있다고 제안했다.[39]

NTT 물성과학기초연구소는 2017년에 트랜지스터 내 전자 1개의 움직임을 관측하고 조작하는 기술을 개발, 열 잡음에서 한 방향으로 움직이는 전자만 골라 전류를 흐르게 하여 에너지 생성에 성공했다.[54]

4. 2. 1. 데이비드 레이의 나노 장치

2007년, 데이비드 레이는 리처드 파인만이 대중화한 브라운 운동 래칫을 기반으로 나노 장치를 개발했다. 이 장치는 빛이라는 외부 에너지원을 통해 작동하여 화학 시스템을 평형 상태에서 벗어나게 할 수 있지만, 열역학 법칙을 위반하지는 않는다.[28]

이전에 다른 연구자들은 두 지점 A와 B를 연결하는 축에 놓일 수 있는 로탁산이라는 고리 모양 분자를 만들었다. 이 분자들은 고리에 부딪혀 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 움직였다. 이러한 장치를 대량으로 배치하면, 주어진 시간에 절반은 고리가 A 지점에, 나머지 절반은 B 지점에 있게 된다.[29]

레이는 빛을 비추면 축 중심이 두꺼워져 고리 움직임을 제한하도록 장치를 변경했다. 고리가 A에 있을 때만 움직이지 않도록 하여, 시간이 지남에 따라 고리가 B에서 A로 이동해 갇히게 되어 시스템에 불균형을 초래한다. 레이는 실험에서 "수십억 개의 이러한 장치"가 든 용기를 몇 분 만에 50:50 평형에서 70:30 불균형으로 만들었다.[30]

4. 2. 2. 마크 레이즌의 레이저 원자 냉각 기술

2009년, 마크 G. 레이즌은 제임스 클러크 맥스웰이 구상했던, 가스 내의 개별 원자를 에너지에 따라 다른 용기에 분류하는 과정을 레이저 원자 냉각 기술로 구현했다.[6][31][32] 이 기술의 핵심은 원자나 분자가 한 방향으로만 움직일 수 있고, 반대 방향으로는 돌아갈 수 없는 '일방향 벽'이다. 일방향 벽은 특정 파장의 광자를 흡수한 후, 다른 내부 상태로 자발적으로 방출되는 원자 및 분자의 비가역적 과정을 이용한다. 이 비가역적 과정은 자기장이나 빛에 의해 생성되는 보존력과 결합된다. 레이즌과 그의 동료들은 원자 집단의 엔트로피를 줄이기 위해 일방향 벽을 사용할 것을 제안했다. 한편, 곤잘로 무가와 안드레아스 루쉬하우프트는 이와 유사한 개념을 독자적으로 개발했다. 그러나 그들의 '원자 다이오드'는 냉각이 아닌 원자 흐름 조절을 위한 것이었다. 레이즌 그룹은 2008년 일련의 실험을 통해 일방향 벽을 이용한 원자 냉각을 시연했다. 이후 2008년 말, 다니엘 슈테크와 공동 연구자들은 원자용 일방향 벽의 작동을 시연했으나, 이는 2005년의 일방향 벽 설계를 기반으로 했고 냉각에는 사용되지 않았다. 레이즌 그룹이 구현한 냉각 방식은 '단일 광자 냉각'으로 불리는데, 이는 원자를 정지 상태에 가깝게 만드는 데 평균적으로 단 하나의 광자만 필요하기 때문이다. 이는 광자 운동량을 이용하고 2단계 순환 전이를 필요로 하는 다른 레이저 냉각 기술과는 다르다.

2006년, 레이즌, 무가, 루쉬하우프트는 이론 논문을 통해 각 원자가 일방향 벽을 통과할 때 하나의 광자를 산란시키며, 이를 통해 입자의 에너지 정보인 회전점을 얻을 수 있음을 보였다. 일방향 레이저에서 무작위 방향으로 산란되는 복사장의 엔트로피 증가는, 일방향 벽에 의해 원자가 포획되면서 발생하는 원자 엔트로피 감소와 정확히 균형을 이룬다.

이 기술은 고에너지 원자와 저에너지 원자를 다른 용기에 분류하여 온도 차이를 만들어내기 때문에, '맥스웰의 악마'로 널리 알려져 있다. 그러나 과학자들은 이 기술이 열역학 제2법칙을 위반하지 않으며,[6][33] 엔트로피의 순 감소를 일으키지 않고,[6][33] 유용한 에너지를 생산하는 데 사용될 수 없다는 점을 강조한다. 레이저 빔에서 더 많은 에너지가 필요하기 때문이다. 원자는 낮은 엔트로피의 광자를 레이저 빔에서 흡수해 무작위 방향으로 방출함으로써, 환경의 엔트로피를 증가시킨다.[6][33]

4. 2. 3. 유카 페콜라의 자율 맥스웰 도깨비

2014년, 페콜라 등은 실라르드 엔진의 실험적 실현을 시연했다.[34][35] 같은 그룹은 1년 후, 이전의 이론적 제안에 기반하여,[36] 시스템에서 미세한 정보를 추출하고 피드백을 적용하여 엔트로피를 줄이는 최초의 자율 맥스웰의 도깨비의 실험적 실현을 발표했다. 이 도깨비는 동일한 전자 회로에 통합된 두 개의 커패시티브하게 결합된 단일 전자 장치를 기반으로 한다. 도깨비의 작동은 시스템의 온도 강하로 직접 관찰되며, 상호 정보 생성의 열역학적 비용에서 발생하는 도깨비의 동시 온도 상승과 함께 나타난다.[37] 2016년, 페콜라 등은 결합된 단일 전자 회로에서 자율적인 도깨비의 원리를 증명하여, 정보를 연료로 사용하여 회로의 중요한 소자를 냉각하는 방법을 보여주었다.[38] 페콜라 등은 또한 간단한 큐비트 회로, 예를 들어 초전도 회로로 만들어진 큐비트 회로가 양자 실라르드 엔진을 연구하는 기반을 제공할 수 있다고 제안했다.[39]

4. 2. 4. NTT의 전자 제어 기술

NTT 물성과학기초연구소는 2017년에 트랜지스터 내 전자 1개의 움직임을 관측하고, 그 결과에 따라 트랜지스터를 조작하는 기술을 개발했다. 이 기술을 이용하여 열 잡음에서 한 방향으로 움직이는 전자만을 골라내어 전류를 흐르게 하여 에너지를 생성하는 데 성공했다.[54]

NTT는 다음과 같은 순서로 '도깨비'의 동작을 실현했다.

# 입구 문을 열어, 입구와 전자 상자 사이의 전자의 무작위 열 운동을 관측한다.

# 전자가 전자 상자에 들어왔을 때, 입구 문을 닫아, 전자 상자에 전자를 가둔다.

# 출구 문을 열어, 전자 상자와 출구 사이의 전자의 무작위 열 운동을 관측한다.

# 전자가 전자 상자에서 나갔을 때, 출구 문을 닫아, 출구로 전자를 내보낸다.

도깨비 (실리콘 단전자 장치)가 전자의 움직임을 관측하고, 그 정보를 얻는 작업에 에너지가 필요하며, 이것이 전류를 흐르게 하는 전원으로서의 역할을 한다. 1비트의 정보를 얻기 위해서는 일정한 양의 에너지가 필요하다.[54]

5. 맥스웰의 도깨비와 한국 사회

맥스웰의 도깨비는 가상의 존재로, 한국 사회에 직접적인 영향을 주지는 않았다. 그러나 이 사고 실험이 던지는 함의는 한국 사회의 여러 측면을 분석하고 성찰하는 데 유용한 틀을 제공할 수 있다.

6. 대중문화 속 맥스웰의 도깨비

토마스 핀천의 소설 제49호 품목의 경매에는 맥스웰의 도깨비가 등장한다.[41] 스타니스와프 렘, 아이작 아시모프, [https://web.archive.org/web/20071026141824/http://wiki.sfreaders.org/LarryNiven 래리 니븐]과 같은 과학소설 작가들도 이 테마를 다루었다. 후지시마 쿄스케의 만화 오! 나의 여신님과 게임 맥스 페인2에도 맥스웰의 도깨비가 나타난다.

엘 카자도 애니메이션, 다음 웹툰 블랙 베히모스, 라이트 노벨 문제아들이 이세계에서 온다는 모양인데요?에도 맥스웰의 도깨비가 등장한다. 'Maxwell Demon'이라는 이름을 가진 밴드도 있으며, 영화 'Velvet goldmine'의 주인공 브라이언 슬레이드의 페르소나 이름도 Maxwell Demon이다. 페이트 그랜드 오더에도 등장한다.

컴퓨팅 분야에서 데몬은 일반적으로 서버에서 실행되어 사용자의 요청에 응답하는 프로세스를 의미하는데, 이는 맥스웰의 도깨비에서 이름을 따온 것이다.[40]

역사학자 헨리 애덤스는 저서 ''역사에 적용된 위상 규칙''에서 맥스웰의 도깨비를 역사적 비유로 사용하려 했으나, 원래의 원리를 오해하고 잘못 적용했다.[41] 애덤스는 역사를 "평형"으로 향하는 과정으로 해석했지만, 군국주의 국가(그는 독일을 이 범주에서 으뜸으로 보았다)가 이 과정을 되돌리려는 경향이 있다고 보았으며, 이를 역사의 맥스웰 도깨비로 칭했다. 애덤스는 과학적 동료들의 비판에 대응하기 위해 많은 시도를 했지만, 1918년 사망 당시 미완성 상태로 남아 있었고 사후에 출판되었다.[42]

참조

[1] 서적 Life and Scientific Work of Peter Guthrie Tait Cambridge University Press
[2] 문서 Leff & Rex (2002)
[3] 논문 Kinetic theory of the dissipation of energy 1874-04-09
[4] 논문 The sorting demon of Maxwell
[5] 서적 Nineteenth Century Science: a Selection of Original Texts Broadview Press
[6] 논문 Demons, Engines, and the Second Law https://ecee.colorad[...] 1987-11-01
[7] 문서 Maxwell (1871), reprinted in Leff & Rex (1990)
[8] 서적 Thermodynamics of Information Processing in Small Systems https://books.google[...] Springer Science and Business Media 2012
[9] 논문 Maxwell's demons appear in the lab http://www.nikkei-sc[...] 2011-08-01
[10] 논문 Über die Entropieverminderung in einem thermodynamischen System bei Eingriffen intelligenter Wesen (On the reduction of entropy in a thermodynamic system by the intervention of intelligent beings) 1929
[11] 논문 Irreversibility and heat generation in the computing process http://www.pitt.edu/[...] 1961
[12] Submitted manuscript The thermodynamics of computation—a review http://hexagon.physi[...]
[13] 논문 The unavoidable cost of computation revealed
[14] 논문 The reversibility paradox: Role of the velocity reversal step https://rdcu.be/dmmu[...] 2023
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