0前的物理妖精 首次出現(xiàn)在了實(shí)驗(yàn)室里

1、.150年前的物理學(xué)妖精 首次出如今了實(shí)驗(yàn)室里圖1：單電子麥克斯韋妖：系統(tǒng)是只含一個(gè)電子的盒子，與一個(gè)外勢(shì)場相連。麥克斯韋妖監(jiān)控著盒子所帶的電荷，假如一個(gè)電子藍(lán)色進(jìn)入盒子，妖精就會(huì)立即施加一個(gè)正電荷把它束縛在里面左，而假如電子分開盒子，妖就施加一個(gè)負(fù)電荷把它困在外面右。這個(gè)系統(tǒng)與麥克斯韋所設(shè)想的通過開關(guān)門的方法把速度快的粒子和速度慢的粒子隔開的系統(tǒng)等價(jià)。麥克斯韋妖已經(jīng)在物理學(xué)家心目中盤旋了近150年。這個(gè)妖精最初由物理學(xué)家麥克斯韋James Clerk Maxwell提出，可以根據(jù)粒子的速度對(duì)它們進(jìn)展分類，從而可以在一團(tuán)氣體中將熱量從冷的區(qū)域傳遞到熱的區(qū)域。乍一看這好似違背了熱力學(xué)第二定律，但

2、注意到假如想讓妖精正確執(zhí)行指令，就得通過外界對(duì)它做功，因此妖精與盒子的體系不是一個(gè)封閉體系，這就解決了悖論。然而，這個(gè)解釋不能完全令人滿意，因?yàn)樗肓艘粋€(gè)外界的還不一定是物理的存在來對(duì)妖精做功。來自芬蘭阿爾托大學(xué)的尤卡·佩科拉Jukka Pekola及其同事最近在實(shí)驗(yàn)中制造出了一個(gè)無需外力做功、能自我運(yùn)行的麥克斯韋妖的等價(jià)體，從而消除了對(duì)這個(gè)“外力的依賴。這個(gè)完全自給自足的自動(dòng)設(shè)備也被稱為“信息機(jī)器information machine，在此之前它一直只存在于科學(xué)家的設(shè)想中，而這一實(shí)驗(yàn)也提供了一個(gè)新方法來檢測熱力學(xué)根本定律和信息處理理論。19世紀(jì)后半葉，熱力學(xué)第二定律還是個(gè)新穎事物

3、。該定律用來解釋一些特殊的熱力學(xué)現(xiàn)象，如熱量不能在不做功的情況下從冷的物體傳遞給熱的物體克勞修斯表述，以及熱機(jī)的效率不可能到達(dá)100%卡諾定理。但也有物理學(xué)家質(zhì)疑該定律是對(duì)一個(gè)描繪大量粒子平均行為的系統(tǒng)成立，還是對(duì)每一個(gè)粒子都成立。為說明這種平均效應(yīng)，著名物理學(xué)家、統(tǒng)計(jì)物理學(xué)先驅(qū)麥克斯韋在1867年給同事彼得·泰特Peter Tait寫信，提到了一個(gè)看似違背克勞修斯表述的思想實(shí)驗(yàn)：設(shè)想有一個(gè)充滿了氣體分子的盒子，分成兩部分，中間有一個(gè)可以開閉的門，門邊坐著一個(gè)特別乖巧的妖精，可以測量氣體中每個(gè)粒子的速度并相應(yīng)地將門翻開或關(guān)閉，讓速度較快的粒子去往右邊，速度較慢的粒子去往左邊。這個(gè)挑選

4、過程最終就將導(dǎo)致盒子的右邊越來越熱、左邊越來越冷，違背了熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述，即熱量不能在不做功的情況下從冷的物體傳遞給熱的物體。麥克斯韋妖一出現(xiàn)，就讓整個(gè)物理學(xué)界深深著迷，并帶來了很多重要的新發(fā)現(xiàn)，如關(guān)于信息的熱力學(xué)理論。但最重要的思想是于20世紀(jì)60年代由IBM研究員羅爾夫·蘭道爾Rolf Landauer提出的，他意識(shí)到，想讓妖精不依賴外界做功而自發(fā)行動(dòng)，仍然會(huì)有一個(gè)額外的代價(jià)：假如妖精的記憶力是有限的，那么隨著氣體速度信息的累積，它的“內(nèi)存終究會(huì)溢出，因此，為了使它持續(xù)工作，就需要定期清空它的內(nèi)存，而這是需要對(duì)它做功的，且這部分功完全等同于讓妖精挑選冷熱粒子所需要的功

5、。這一想法不僅再次證實(shí)了熱力學(xué)第二定律的正確性，也說明“信息是物理的。但這仍然沒有完全消除該思想實(shí)驗(yàn)中涉及到的“形而上學(xué)的存在，也沒有告訴我們終究怎樣能真正制造出一個(gè)麥克斯韋妖來，你或許會(huì)問：讓誰，或者什么來去除妖精的記憶呢？需要再設(shè)想一個(gè)“麥克斯韋妖之妖來作用于麥克斯韋妖嗎？最近，研究者重新考慮了這一系列概念上的問題，將研究重點(diǎn)從設(shè)計(jì)需要外力操縱的麥克斯韋妖轉(zhuǎn)向了獨(dú)立行動(dòng)的麥克斯韋妖。有趣的是，在80年之前，物理學(xué)家萊奧·西拉德Leo Szilard，愛因斯坦簽名并上書羅斯?？偨y(tǒng)啟動(dòng)曼哈頓方案的請(qǐng)?jiān)笗闶怯伤珜懢皖A(yù)見到了這一框架的誕生。西拉德很不喜歡“用超自然的、近似人類的智能來

6、操縱麥克斯韋妖這一想法，認(rèn)為應(yīng)當(dāng)可以制造出一個(gè)自動(dòng)的，甚至是機(jī)械的系統(tǒng)，有麥克斯韋妖的功能，但完全遵守物理學(xué)定律。雖然這一想法吸引了很多人的注意，但一直以來它只存在于理論中。而佩科拉及其同事那么將西拉德設(shè)想的妖精從理論變成了現(xiàn)實(shí)。他們的設(shè)備包含兩個(gè)含有單電子的“盒子，一個(gè)“系統(tǒng)盒，一個(gè)“妖精盒。系統(tǒng)盒由一塊小的金屬銅“島與兩條金屬導(dǎo)線通過超導(dǎo)鋁材料連接而成，可以讓電子隧穿到島上或島外。之所以使用超導(dǎo)材料，是為了保證電子傳輸過程中不產(chǎn)生熱量，這樣就可以準(zhǔn)確跟蹤進(jìn)入和分開系統(tǒng)的熱量與信息。系統(tǒng)盒與鄰近的妖精盒以類似的電子構(gòu)造相連，可以探測一個(gè)電子進(jìn)入或分開“島時(shí)造成的電壓變化，而這個(gè)電壓變化反過來

7、又能激發(fā)妖精：電子隧穿到島上時(shí)，妖精盒會(huì)相應(yīng)施加一個(gè)正電荷，把它束縛在里面，而電子分開島時(shí)，妖精會(huì)施加一個(gè)負(fù)電荷把它排斥在外。總而言之，妖精產(chǎn)生的電荷會(huì)電子設(shè)置一個(gè)勢(shì)壘，逼著電子做“上坡運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致的結(jié)果就是整個(gè)系統(tǒng)被冷卻下來?？茖W(xué)家沒有對(duì)這個(gè)妖精施加任何外部控制，它是完全自動(dòng)的，這一切都是來自于對(duì)兩個(gè)電子“盒的巧妙設(shè)計(jì)。研究者說明，妖精的行動(dòng)導(dǎo)致了系統(tǒng)的溫度下降以及它自己的溫度上升，這與理論模型的預(yù)測是一致的。溫度變化通過系統(tǒng)和妖精之間的交互信息mutual information來測定，交互信息是指系統(tǒng)與妖精之間的相干程度，簡單來說，就是妖精對(duì)系統(tǒng)的“理解程度。這一實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)完全符合我們的簡單直覺信息可以用來提取出比第二定律所允許的更多的功。這不意味著第二定律被打破了，而是第二定律在詳細(xì)情況下的詳細(xì)應(yīng)用。對(duì)麥克斯韋妖來說，妖精掌握的信息就會(huì)帶來一部分熵。阿爾托大學(xué)團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)還說明，自動(dòng)的麥克斯韋妖是可以實(shí)實(shí)在在地被制造出來的，而不是只存在于理論中的思想實(shí)驗(yàn)。而加深對(duì)信息熵的理解，或