物理学四大神兽”麦克斯韦妖“和信息与能量的关系

宇宙中充满了无序。例如，想象一下，将一点红色染料投入一个游泳池。所有这些染料分子都会慢慢地在水中扩散。物理学家通过计算染料分子可能的排列方式来量化这种扩散趋势。有一种可能的状态，分子聚集在顶针里。还有一种情况，是分子在水池底部整齐地聚集在一起。但是在水中，分子以不同的方式分散开来，形成了数以亿计的排列。如果宇宙随机地从所有可能的状态中进行选择，你可以打赌，它最终将以无序告终。
从这个角度来看，熵，或者说无序的不可阻挡的增长，正如热力学第二定律学会量化的那样，几乎有了数学上的确定性。当然，物理学家们一直在试图打破它。
其中一个差点就成功了。1867年，苏格兰物理学家麦克斯韦设计了一个思想实验，这个实验让科学家们困惑了115年。即使在找到了解决方案之后，物理学家仍然继续使用“麦克斯韦妖”来将宇宙定律推向极限。

在这个思想实验中，麦克斯韦设想通过竖起一道带有小门的墙，将一个装满气体的房间分成两部分。像所有的气体一样，这种气体是由单个的粒子组成的。粒子的平均速度与气体的温度相对应，速度越快，温度越高。但是在任何给定的时间，一些粒子的运动速度都会比其他粒子慢。
如果，麦克斯韦建议，一个虚构的小生物，后来被称为麦克斯韦妖，坐在门口会怎么样。每当它看到一个快速移动的粒子从左边靠近时，它就打开门，让它进入右边的隔间。每当一个缓慢移动的粒子从右边靠近时，这个恶魔就会让它进入左边的隔间。
过了一会儿，左边的隔间就会充满了缓慢而冰冷的颗粒，而右边的隔间就会变热。这个相互隔离的系统看起来变得更有秩序，而不是更少，因为两个可分辨的隔间比两个相同的隔间有更多的秩序。麦克斯韦创造了一个系统，这个系统似乎能够抵抗熵的上升，从而抵抗热力学第二法则。
“他试图证明存在一个熵减少的系统,”伦敦国王学院的物理学家Laia Delgado Callico说。“这是一个悖论。”
对于解决麦克斯韦妖带来的问题，两项进展是至关重要的。第一个理论是由美国数学家，信息论创始人香农提出。1948年，香龙证明了一条信息的信息内容可以通过他所谓的熵信息进行量化。“在19世纪，没有人知道信息,”东京大学的物理学家 Takahiro Sagawa 说。“对麦克斯韦妖的现代理解是由香农的工作建立起来的。”
这个难题的第二个重要部分是擦除原则。1961年，德裔美国物理学家Rolf Landauer指出，任何逻辑上不可逆的计算，比如擦除记忆中的信息，都会导致最小量的功转化为倾倒到环境中的热量，并相应增加熵。Landauer的擦除原理在信息和热力学之间提供了一个诱人的联系。“信息是物质的,”他后来宣称。
1982年，美国物理学家Charles Bennett将这个谜团拼凑起来。他意识到麦克斯韦妖实际上是一台信息处理机器的核心: 它需要记录和存储关于单个粒子的信息，以便决定何时打开和关闭门。它需要定期清除这些信息。根据Landauer的擦除原理，擦除引起的熵的增加足以补偿粒子排序引起的熵的减少。维也纳量子光学与量子信息研究所的物理学家 Gonzalo Manzano 说: 你需要付出代价。麦克斯韦妖需要为更多的信息腾出空间，这无情地导致了无序的净增长。
然后在21世纪，随着思想实验的解决，真正的物理实验开始了。Sagawa说: “最重要的进展是我们现在可以在实验室里认识麦克斯韦妖。”。
2007年，科学家们用一扇光驱动的大门演示了麦克斯韦妖; 2010年，另一个研究小组设计了一种方法，利用麦克斯韦妖所需的信息产生的能量引导一个珠子上山; 2016年，科学家们将麦克斯韦妖的概念应用在包含光子而不是气体例子上。
“我们改变了物质和光的角色,”牛津大学的物理学家 Vlatko Vedral 说，他也是这项研究的合著者之一。研究人员最终能够给一个非常小的电池充电。

这个实验是在牛津大学进行的，原版麦克斯韦的气体盒子被两个入射的热光脉冲所取代。麦克斯韦妖是一套光电探测器，测量每个脉冲产生的几个光子，然后计算出哪个更亮。脉冲继续落在两个光电二极管上，产生向电容器的两个极板相反方向流动的电流。如果麦克斯韦妖不在那里，这两股电流就会互相抵消，电容器就不会充电。测量结果被前馈，根据两个光电二极管的脉冲亮度来调换两个光电二极管的极性，因此较大的电流总是向同一个方向流动。这就导致电容器充电。作者 Oscar Dahlsten 和 Mihai Dorian Vidrighin 在牛津科学博客上说: “我们发现最终的效果很容易看到，这让我们感到特别满意——我们可以用这个装置给电池充电。”。研究小组还从理论上描述了这种装置——不仅考虑了光的热力学效应，而且还考虑了麦克斯韦妖获得的信息——并且发现了与数据的良好匹配。人们早就知道，麦克斯韦妖对热力学第二定律的明显违反(因为这只是明显的)取决于妖本身。妖不仅在系统上工作，而且还获得了系统的信息，这些信息需要经过处理才能删除。当所有这些因素都预算在内时，就没有净收益。解开信息与热力学之间的联系对物理学家来说是一项持续不断的运动，尤其是在现在可以通过实验获得的微观系统中。热力学定律的发展最初是由对蒸汽机效率的研究推动的。对量子系统的研究促使科学家们重新审视这些定律。该研究提出的装置可以成为将最近的理论工作用于实验测试的有用工具。其他人想知道是否可能有不那么苛刻的方法来利用信息从类似的系统中提取有用的工作。二月份发表在《物理评论快报》上的一项研究”

Thermodynamics of Gambling Demons“似乎已经找到了这样做的方法。这项工作使这个麦克斯韦妖变成一个赌徒。

该研究想知道是否有一种方法可以实现类似于麦克斯韦妖，但不需要信息的东西。他们像以前一样设想了一个带门的两室系统。但是在这种情况下，门会自己打开和关闭。有时候粒子会随机地把自己分成更热和更冷的区域。麦克斯韦妖只能观察这个过程并决定何时关闭系统。从理论上讲，这个过程可以产生一个小的温度不平衡，从而产生一个有用的热引擎，如果麦克斯韦妖对在什么时候结束实验并锁定任何温度不平衡的位置上很聪明，就会像一个连胜的聪明赌徒知道什么时候离开赌桌一样。
意大利国际理论物理中心的物理学家édgar Roldán是这项研究的共同作者，他说: “你可以在轮盘赌桌上玩一整夜，也可以在赢得100美元后停下来。”。“我们的意思是，我们不需要像麦克斯韦妖那样复杂的设备来对抗热力学第二定律的作用。我们可以放松假设。”然后，研究人员在一个纳米电子设备中实现了这样一个赌博式的麦克斯韦妖，以证明这是可能的。
像这样的想法可以被证明在设计更有效的热系统，如冰箱，甚至在开发更先进的计算机芯片，这可能接近一个由兰道尔的原则决定的基本限制。然而，就目前而言，即使置于最严格的审查之下，热力学第二法则仍然是安全的。麦克斯韦妖的思想实验及之后的物理实验，改变了我们对宇宙中信息的理解，也改变了我们对麦克斯韦妖本身的认识。麦克斯韦妖最初是一个令人烦恼的悖论，现在是一个非常宝贵的概念ーー它帮助阐明了物理世界和信息之间非凡的联系。
本文翻译自：https://www.quantamagazine.org/how-maxwells-demon-continues-to-startle-scientists-20210422/
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从熵的视角看“后浪”

零一2021-04-25 21:59:03

到底什么联系呢？

追梦人2021-04-28 14:45:12

广义进化论&进化论2.0 1、DNA、大脑-神经系统和社会信息系统推动了细胞、动植物和人类社会的进化。细胞进化由DNA主导，人行为的进化由大脑主导，人类社会体系的进化由社会信息系统主导。 进化的方向是熵减，局部熵减的生物进化与世界整体的熵增相对应，进化论与热力学第二定律彼此对称。 以前人们对生物进化的关注点都在DNA，忽视了大脑的作用，而后者主导人行为的进化与前者主导人身体的进化同样重要，就像计算机硬件进化和软件进化那样。 城市大脑、物联网、云计算、人工智能、量子计算等等，每一次信息技术的进步都是在推动人类社会的进化。社会信息系统主导人类社会的自我进化，就如同DNA主导细胞进化那样。 人类文明未来也会像动植物那样由低级进化到中级乃至高级，甚至去其他星球繁殖下一代，进入星际传播。 2、直接载人登录火星不太现实，或许还有更好的办法。 未来我们可以制造出有自主能力的智能机器人，投放到火星，让他们以工厂分工合作的方式制造同类，实现集群繁殖，形成机器人文明。 机器人可大可小，寿命也比人类长很多，更能适应复杂环境，拥有远超人类文明的生存能力。 未来我们可以制造微型机器人和飞船，让其携带文明信息乃至DNA信息，成为星球文明的种子，遍撒宇宙，经过几千年几万年飞行，到其他星系繁衍下一代，实现星际传播。 假如没有超光速，这或许会是更为可行的星际航行方式。

lz_c1372021-04-26 16:05:16

物质就是信息，信息就是物质

999k純帥大本营2021-04-26 12:27:50

冬天就靠不可逆运算来取暖

吸引子2021-04-26 00:30:47

这充分验证了香浓对信息熵极为恰当的定义和前瞻性，目前对于信息与物理世界变化，如何用统一符号单位解释和换算，将是推进系统科学进步的又一大门槛