麦克斯韦（麦克斯韦妖再现江湖）

盆热水放着就会逐步变冷。

在这背后是一条著名的物理学规律——热力学第二定律：热量不能自发地从低温物体转移到高温物体。

举个最简单的例子：不做任何干预，把一冷一热两个铁块贴在一同，热的铁块会疾速将热量传给冷的铁块，最终到达相同的温度。

或许你会说，空调和冰箱都是让热量逆向传送了啊。

其实，空调和冰箱完成制冷的前提也是依托紧缩机做功，并不能让热量盲目从低温局部转移到高温局部。

不过你晓得吗？

其真实150年前，就有科学家找到了热力学第二定律的bug！

这就是大名鼎鼎的麦克斯韦妖（Maxwell’s demon），由著名物理学家麦克斯韦提出。

如今，竟然有人把这个妖精造了个新版本出来，而且还是个“赌徒版”的！

什么是麦克斯韦妖？

看到妖字，你可能在想：

怎样科学界还搞牛鬼蛇神？

其实这只是一个假定。

麦克斯韦想象，将一个装有气体分子的盒子，用挡板隔成两个局部，在挡板上设置一个十分小的门，假定有一个十分十分小的妖精扼守门口。

气体分子速度有快有慢，我们能够把它们分红两类：一类是速度比拟慢的“冷分子”，一类是速度比拟快的“热分子”。

于是，这个“麦克斯韦妖”就蹲在门口左近察看，假如左边有“冷分子”撞过来，就把门翻开，让它过去，然后快速打开门。

同理，它也会把“热分子”释放到左边去。

这样经过一段时间重复操作后，左边只要“热分子”，右边只要“冷分子”。

由于麦克斯韦想象的妖精十分小，门也十分轻，因而做功能够被疏忽不计。

那么矛盾就来了。

麦克斯韦妖竟然不怎样做功就完成了热量的逆向活动，热力学第二定律竟然被推翻了？

热力学第二定律显然是对的（否则就能造出永动机），那么麦克斯韦想象的妖怪终究在哪里出了问题？

一种观念以为，丈量分子的速度会耗费能量，从而招致系统“熵增”，其实这没有触及到问题的实质。

直到香农提出了信息论后，“麦克斯韦妖是一个悖论”才变成了板上钉钉的事实。

1948年，著名数学家香农证明了信息是能够被量化的，并提出了“信息熵”；

在此根底上，1961年德国裔美国物理学家罗尔夫·朗道尔(Rolf Landauer)提出了Landauer准绳。

他以为任何笼统信息都必需有物理载体，对信息的操作就意味着对物理载体的操作，而对信息的处置有些是逻辑不可逆的，因而也就会随同着热力学上的不可逆。

朗道尔以为，在均衡态下擦除1bit的信息，至少要耗费的能量为kTln2 (k为玻尔兹曼常数，T为环境温度)。

换而言之，改动1bit香农熵所需的最低能量，是kTln2。

但什么是逻辑不可逆呢？

这是指多种不同的输入会对应同一个输出，比方擦除信息就是不可逆的，由于它会把一切的信息都输出为擦除这一个状态。

1982年，美国物理学家查尔斯·班尼特（Charles Bennett）将这些概念综合在一同，提出：麦克斯韦妖的中心是一个信息处置器。

它需求记载和存储关于单个粒子的信息，以便决议何时开门、关门。并且它需求定期删除这些信息，清一下“内存”。而依据“擦除”原理，擦除信息回带来熵的增加，将远远超越粒子分选所惹起的熵减。

终于，从提出后经过了115年，麦克斯韦妖被证明是悖论，热力学第二定律也因而愈加完善。

不过科学家们可没有就此作罢，他们对这个“小妖精”不断热情不减。

固然最终麦克斯韦妖并不违背热力学第二定律，但是我们有没有可能造出真正的麦克斯韦妖呢？

进入21世纪后，大家真的开端试着在实验室造“妖”了！

最早在2007年，科学家们用一种光能门，完成了一种麦克斯韦妖系统：

2010年，日本物理学家在《Nature》发表了一篇论文，以西拉德发起机概念为根底，研讨出了如何将纳米级珠子诱导上螺旋楼梯的办法。

2013年，德国科学家用一对互相作用的量子点(只要几纳米宽的微型半导体)建造了一个麦克斯韦妖实验安装。

△宾西法尼亚州立大学的科学家将随机原子阵列重新排列成有序的原子块

2018年，来自宾夕法尼亚州立大学(Penn State)的物理学家们，将随机排列的原子重新排列成有序的原子块，发明了一个量子意义上的麦克斯韦妖。

“赌徒版”麦克斯韦妖

但是，这些年提出、以及完成的各版本麦克斯韦妖，还是太复杂了。

无论是用化学粒子、还是用光子完成，实质上都是在反复用信息换能量的过程。

也就是说，麦克斯韦妖需求控制门板两侧的粒子信息，来决议能否开关门板。

有没有一种方法，来搞出一个“手头上没有任何信息”的麦克斯韦妖？

它会不时耗费一点能量，来看看系统有没有“获取能量”，并决议要不要继续这一过程。

如下图，W是麦克斯韦妖耗费的能量，而F是系统可能取得的自在能量（随着门板开关，恰恰胜利别离了冷热粒子）。

它看不见系统里的状态，因而没方法控制门板的开关，只能凭直觉选择要不要继续拿W赌F。

没错，这样的麦克斯韦妖，就是一个彻底的“赌徒”——

它不晓得系统下一刻的状态，也不晓得本人耗费的能量能否换取更多自在能量，所能做的只要靠“猜”。

这个新版“妖精”，看整个系统的眼神，就像是在看一个赌桌游戏——

这局输（没有取得能量）的话，下一局还会输吗？要是我中止赌（耗费能量）的话，能及时止损吗？

这会呈现两种状况：

其一，耗费的能量太多，超越了一个阈值。这时分，麦克斯韦妖就会“啪”一下分开赌桌：不玩了！

其二，只用极少的能量耗费，麦克斯韦妖就取得了宏大的自在能量（无意间别离了大量冷热粒子），那么它也能够选择立刻完毕游戏：狠赚一笔！

假如呈现第二种状况的话，实践上就短暂地推翻了热力学第二定律——耗费少量能量，来换取更多的自在能量。

关于这种现象，来自国际理论物理中心ICTP的物理学家、作者之一édgar Roldán解释：

这就像你既能够在赌桌上玩一整夜，也能够在赢了100美圆后立刻停手。

当然，最重要的是，如今科学家完成了这个“赌徒版”麦克斯韦妖。

如下图，他们搞出了一个由电极（浅蓝色）和铜岛（红色）组成的系统。

当设备冷却到只比绝对零度高出一点点（约几分之一开尔文温度）时，单个电子就能够完成在电极和铜岛之间“重复横跳”。

其中，从电极到铜岛上是耗费能量的过程；而从铜岛到电极，就是获取能量的过程。

在此期间，中间那个蓝色的静电计能随时丈量两边的电量，这就做出了一个“赌徒版”的麦克斯韦妖——

期间，系统能够随时被中止，也能够继续下去，一切都取决于麦克斯韦妖的判别。

研讨者们以为，这一系统依然能被用于提升微观热机和发起机的性能。

“久赌必输？”

但别忘了，热力学第二定律是一个基于统计学得出来的规律。

也就是说，固然这个“赌徒版”麦克斯韦妖，能偶尔突破热力学第二定律，但在长期统计下，是不可能不断突破热力学第二定律的。

有网友表示，本人曾经看破了这个“赌徒版”麦克斯韦妖的小手段：

这不就是N=1和N=1000之间的差别？假如只做一次实验，的确可能偶尔推翻这一定律。毕竟依据“赌徒定理”——久赌必输嘛。

顿时有网友堕入了迷思：

要是控制（赌博）技巧，能否就能超越极限？

不。

论文第一作者、来自国际理论物理中心ICTP的物理学家Gonzalo Manzano表示：

“赌徒版”麦克斯韦妖胜利的办法之一，就是在事情变坏的一刹那，及时止损，以防止更宏大的损失。

连物理学家都如此劝诫，赌博这个东西，的确别沾为妙（手动狗头）。

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