[include(틀:과학사 4대 악마)] [목차] == 소개 == Maxwell's demon [[파일:attachment/맥스웰의 악마/Maxwells_demon.png|width=300]] 1867년에 [[제임스 클러크 맥스웰]]이 고안한 [[사고실험]]과 그에 등장하는 주인공 [[악마]]. 맥스웰의 '''[[도깨비]]'''라는 이름으로도 많이 알려져 있다. 사고실험은 [[열역학]]의 [[엔트로피]]에 대한 것으로, 이 악마는 직관적으로 보면 특정 [[계]]의 [[엔트로피]]를 감소시킬 수 있어, [[열역학 제2법칙]]을 무너뜨리는 [[역설]]적 존재이다. 그러나 그것은 정보 [[엔트로피]]를 간과했기 때문으로, 정보 엔트로피를 계산에 넣으면 이러한 악마가 실존하더라도 열역학 제2법칙을 위배하지는 않는다. [[열역학]]적 엔트로피와 정보 엔트로피의 직접적인 연결 고리를 보여주는 사고실험이다. == 사고실험 == 두 종류의 기체의 혼합물로 차있는 고립된 방의 가운데 벽이 있어 두 공간으로 나누어져있다고 생각하자. 이 벽에는 문이 하나 있어서 악마가 방 밖에서 이 문을 열고 닫을 수 있다. 악마가 원하는 것은 이 두 종류의 기체 분자를 양쪽 공간으로 분리하는 것인데, 악마스럽게 뛰어난 [[피지컬]]을 갖추고 있어서 분자 하나하나마다 문으로 다가오는 것을 확인할 수 있다. 따라서 문을 적당히 열고 닫는 것을 통해서 느린 분자는 왼쪽으로, 빠른 분자는 오른쪽으로 보내는 것이 가능하다.[* 정확하게 말하자면, 혼합된 기체의 평균분자속도를 기준으로 그보다 빠른 분자와 느린 분자를 나누는 것이다. 이 과정을 반복하다 보면 결과적으로 벽을 사이에 두고 방의 온도가 달라지게 된다.] 시간이 지나면 느린 분자와 빠른 분자가 서로 분리되고, 초기상태에 비해 [[엔트로피]]가 감소하였으므로 [[열역학 제2법칙]]을 위배하게 된다. 현실에서 열역학 제2법칙을 위배한 것처럼 보이는 사례들은, 사실은 외부와 완전히 고립되지 않아서 연결된 모든 요소의 엔트로피를 계산하면 엔트로피가 같거나 증가하는 경우이다. 그러나 이 맥스웰의 악마는 분자보다 훨씬 빠르므로 문을 열고 닫을 때 어떤 기체 분자도 건드리지 않는다. 즉 '''방 내부에 전혀 [[일]]을 해주지 않는데도 (=방이 고립계인데도 불구하고) 방의 엔트로피는 감소한다.''' 즉 맥스웰의 악마가 여타 특별한 점은 (언뜻 보기에는) 고립계에도 영향을 주어 엔트로피를 감소시킬 수 있다는 것이다. == 역설의 해결 == 다행스럽게도 이러한 악마가 존재하더라도 [[열역학 제2법칙]]은 깨어지지 않는다. 핵심 개념은 '''정보 [[엔트로피]]'''로, [[정보]]가 단지 지식이 아니라, [[엔트로피]]를 비롯해 [[열역학]]적 영향을 만들어 낼 수 있다는 것이다. 결론을 미리 말하자면 악마가 분자를 분리하기 위해 분자에 대한 '''정보'''를 얻을 때 방 내부와 영향을 주고 받아야만 하고(=방이 고립계가 아니고), 따라서 악마가 '''정보를 처리하는 것'''을 포함한 전체 엔트로피 변화를 따져보면 증가하기 때문이다. 악마가 기체를 분리하려면 기체 분자의 속도와 위치 등 정보를 알 필요가 있고, 이를 위해 기체 분자를 관측/측정해야만 한다. 그런데 사고실험에서 '속도를 잰다'라고 단순하게 표현한 것과는 달리, 실제로는 이 관측과정에서 악마는 필연적으로 기체 분자에 영향을 미치게 된다. 따라서 악마는 방과 분리할 수 없고, 악마가 만들어내는 엔트로피 변화도 함께 고려해야만 한다. 레오 실라드는 1929년 논문[* https://link.springer.com/article/10.1007/BF01341281]에서 위의 사실을 명시하였다. 또한 악마처럼 동작하는 기계장치가 있을 때, 기계장치가 분자를 측정하여, 그 정보를 바탕으로 문을 열고 닫을 때 만들어내는 엔트로피 증가량이 방에서 일어나는 엔트로피 감소량에 대응한다는 사실을 보였다. 따라서 총 엔트로피는 증가하거나 최소한 일정하고, [[열역학 제2법칙]]은 위배되지 않는다. 1961년 롤프 란다우어는 위 논의를 더 심화하여, 정보를 얻는 측정 과정과 정보를 처리하는 과정을 분리시켰다. 측정 과정을 잘 정리하면 [[가역]]으로 만들 수 있는데, 가역 과정이므로 엔트로피가 증가하지 않는다. 문을 열고 닫는 것도 그 자체만으로는 엔트로피가 증가하지 않으므로, 측정이 가역이라면 열역학 제2법칙은 또 위협받는 것처럼 보이지만, 또 다시 빠트린 부분이 있다. 란다우어가 밝혀낸 부분은 정보를 얻거나 사용하는 과정과는 다르게, '''정보를 지우는 과정은 비가역적'''일 수 밖에 없고, 그만큼 (열역학적) [[엔트로피]](=열)를 만들어낸다는 것이다. 악마(나 악마와 같은 기계장치)의 뇌(나 저장장치)가 무한하지 않으므로, 계속 작동하려면 언젠가는 예전에 측정한 분자의 정보를 지워야만 하고, 이 과정에서 최소한 방에서 감소한 만큼의 [[엔트로피]]를 만들어내게 된다. 이것이 '''란다우어의 원리'''로, 정보를 논리적으로 비가역적으로 지우려면, 열역학적으로 비가역적인 과정을 거쳐야만 한다. 이론적으로, 발생하는 열의 양은 지우는 정보의 양과 온도에 비례하며 (열역학적으로 이상적인 방법을 썼을 때) 섭씨 25℃의 실온에서 1비트 당 2.853275×10^^-21^^ J[* [[전자볼트]] 단위로는 17.81 meV에 해당. ln2×볼츠만 상수×절대 온도와 같다.]의 열이 발생한다. 이는 이후 독일 베를린 대학의 에릭 루츠 박사팀에 의해 2012년 실험으로 입증되었다.[[http://scienceon.hani.co.kr/32659|#]] 분자에 대한 정보 자체가 엔트로피이며, 정보를 지울 때 열이 발생하는 것은 정보의 형태로 저장된 정보 엔트로피가 열역학적 엔트로피인 열로 전환되는 것이다. == 기타 == 만약 악마의 기억력이 비현실적으로 좋아서 굳이 정보를 지울 필요가 없다면 결국 엔트로피는 감소하게 된다. 악마가 무엇인가를 기억하고 있는 것 자체가 엔트로피이니, 악마가 알게 되는 모든 것을 영원히 기억하고 있는다면 외부의 엔트로피는 점점 감소할 것이다. [[블랙홀]]과 함께, 엔트로피의 열역학적 정의(모든 가능한 상태 개수를 세서 로그)와 정보론적인 정의가 어떻게 연결될 수 있는지 보여주는 단적인 예이다. 이런 맥스웰의 악마를 보다 일반화 시키면 지극히 낮은 확률의 사건도 임의로 발생시킬 수 있는 존재가 된다. 예를 들어 동전을 100만번 던져 모두 앞면만 나오게 한다든지 컵 속의 찬 물이 갑자기 끓어 넘치게 한다든지 심지어는 우주의 빅뱅을 역전시켜 다시 한 점으로 모이게 한다든지 하는 것도 가능하다.[* 우주가 현재 크기가 유지된다면 원래 상태로 돌아가는 데 10^^120^^ 년마다 한 점으로 다시 모인다. 이를 우주의 [[푸앵카레]] 재귀 시간이라고 부른다.] == 서브컬처에서의 등장 == * [[이 멋진 세계에 축복을!]]에서 대악마로 등장한다. * [[문제아 시리즈]]에서는 이름 그대로 마왕으로 등장한다. [[맥스웰의 악마(문제아 시리즈)]] 참고. * [[Fate 시리즈]]의 [[제도성배기담]]에서 [[캐스터(제도성배기담)|캐스터]]로 등장한다. * [[리인카네이션의 꽃잎]]에서 [[라플라스의 악마]]와 함께 등장한다. [[분류:철학]][[분류:과학철학]][[분류:과학사]][[분류:자연과학]][[분류:물리학]][[분류:열역학]][[분류:악마]]