由此看來，熱力學第二定律量化的必然熵增，即無序度的增加，在數學上幾乎是必然的。所以物理學家壹直想打破這個確定的遊戲。
壹個人差點就做到了。蘇格蘭物理學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋在1867年構思的壹個思維實驗讓科學家們困惑了115年。即使找到了答案，物理學家還在繼續利用麥克斯韋妖挑戰宇宙法則的極限。
在這個思維實驗中，麥克斯韋想象了壹個充滿氣體的房間，這個房間被壹堵有小門的墻分成兩個隔間。像所有的氣體壹樣，這裏的氣體是由粒子組成的。粒子運動的平均速度對應於氣體的溫度——粒子運動越快，氣體溫度越高。但是在任何給定的時刻，總有壹些粒子比其他粒子移動得慢。
麥克斯韋想到如果有壹個虛構的小生物(後人稱為“惡魔”)坐在門口會怎麽樣。每當它看到壹個快速移動的粒子從左邊接近時，它就會打開門，讓粒子進入右邊的隔間。當壹個緩慢移動的粒子從右邊接近時，惡魔會讓它進入左邊的隔間。
過壹會兒，左邊的隔間會充滿緩慢的“冷”粒子，而右邊的隔間會變得非常熱。似乎這個孤立的系統會逐漸變得更有序而不是無序，因為兩個可區分的隔間比兩個相同的隔間更有序。麥克斯韋似乎創造了壹個違反熵增原理的系統，從而違反了宇宙法則。
“他想證明熵減系統的存在，”倫敦大學國王學院的物理學家阿來·德爾加多·卡利科說。“這是壹個悖論。”
接下來的兩個發展對於解決麥克斯韋妖的問題非常重要。第壹項來自美國數學家克勞德·香農，被認為是信息論的開創者。在1948中，香農證明了壹條消息的信息量可以用“信息熵”的概念來量化。“在19世紀，沒有人知道什麽是信息，”東京大學的物理學家田崎敬浩·佐川說。"現在我們對麥克斯韋妖的理解是基於香農的工作."
解決這個難題的第二個關鍵難題是朗道原理。在1961中，羅爾夫·蘭道爾提出，任何邏輯上不可逆的操作(如從內存中擦除信息)都會導致少量非零功轉化為熱量耗散到環境中，相應地會導致熵的增加。朗道爾的信息擦除原理將信息與熱力學聯系起來。他後來說:“信息是壹種物理實體。”
1982年，美國物理學家查爾斯·貝內特把這個謎拼在了壹起。他意識到麥克斯韋妖本質上是壹臺信息處理機器:它需要記錄和存儲單個粒子的信息，以決定何時開門和關門。它還需要定期清除這些信息。根據朗道爾原理，擦除信息導致的熵增會大於對粒子進行分類導致的熵減。“妳需要付出壹些代價。”維也納量子光學和量子信息研究所的物理學家貢薩洛·曼薩諾說。小妖需要騰出空間來容納更多的信息，必然導致無序凈增加。
到了21世紀，思維實驗的問題解決了，但是現實世界的實驗開始了。"最重要的發展是我們現在可以在實驗室裏實現麥克斯韋妖."澤小紅說。
2007年，科學家利用麥克斯韋妖的想法，壹個由光驅動的守門員，在現實世界中展示出來。2010另壹個團隊設計了壹種方法，可以利用麥克斯韋妖信息的能量“引誘”壹顆珠子滾高；2016年，科學家將麥克斯韋妖的思想應用到兩個裝有光而不是氣體的小室中。
"我們改變了物質和光的角色。"牛津大學物理學家、這項研究的合著者之壹弗拉特科·韋德拉爾(Vlatko Vedral)說。研究人員最終成功地為壹個非常小的電池充電。
也有其他科學家正在思考他們是否能以壹種不那麽費力的方式使用信息，從類似的系統中獲得有用的工作。今年2月發表在《物理評論快報》上的壹項研究似乎找到了這樣壹種方法。這部作品把“小妖”變成了“賭徒”。
這個團隊由Manzano領導，他們想知道有沒有辦法在沒有信息的情況下實現類似麥克斯韋妖的功能。和以前壹樣，他們設想了壹個有兩個房間和壹扇門的系統。但是在這個方案中，門會自己開關。有時，粒子會隨機分離，導致壹個室更熱，另壹個室更冷。這個“小惡魔”只能看著這個過程，決定什麽時候關閉系統。理論上，這個過程會導致輕微的溫度不平衡。如果這個小惡魔足夠聰明，知道什麽時候結束實驗，鎖定溫度不平衡(就像壹個運氣好的聰明賭徒知道什麽時候離開賭桌壹樣)，他就會得到壹個有用的熱機。
“妳可以在輪盤賭桌上玩壹整夜，或者妳可以賺到65，438+000美元並停止。”這項研究的合著者埃德加·羅爾丹(Edgar Roldam)，是意大利國際理論物理中心的物理學家(？Dgar Roldán)說，“我們想表達的是，我們不需要像麥克斯韋妖那樣復雜的裝置來得到熱力學第二定律中提到的功。我們可以更放松。”研究人員在壹個納米電子器件中實現了這樣的“賭徒惡魔”，說明這是可能的。
這種想法在設計更高效的熱系統(如冰箱)甚至在開發更先進的計算機芯片時可能會派上用場，這些芯片可能會接近朗道原理所確定的基本極限。
然而，即使在最嚴格的審查下，我們的宇宙法則暫時是安全的。改變的是我們對宇宙中信息的理解和對麥克斯韋妖的欣賞:起初這是壹個令人討厭的悖論，但現在它已經成為壹個有價值的概念，幫助我們發現物質世界和信息之間的奇妙聯系。
喬納森·奧卡拉漢寫的。
翻譯:李詩緣
修訂:吳菲
原始鏈接:
https://www . quanta magazine . org/how-max wells-demon-continues-to-scare-scientists-20210422/
相關研究:
https://journals . APS . org/PRL/abstract/10.1103/physrevlett . 126.08060