麦克斯韦的恶魔如何继续震惊科学家

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T宇宙赌混乱。例如，想象一下，把一小滴红色染料扔进游泳池。所有这些染料分子会慢慢地在水中扩散。

物理学家通过计算可以布置染料分子的可能方式的数量来量化这种倾向。分子挤入顶针中有一种可能的状态。如果，则说，分子在池底部的整洁丛中沉淀。但是，存在数十亿的置换，其中分子在整个水中以不同的方式展开。如果宇宙随意选择所有可能的状态，您可以打赌它最终会与大量无序可能性之一。

通过这种方式可以看出，由第二热力学的第二律规定的熵或紊乱的无可等待的上升，几乎是几乎数学确定性。所以当然物理学家不断试图打破它。

一个几乎做到了。1867年苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦设计的思想实验难住了115年的科学家生涯。甚至在找到了解决方案之后，物理学家们仍在继续使用“麦克斯韦妖”，将宇宙定律推到极限。

在这个思想实验中，麦克斯韦想象着通过竖起一堵带有小门的墙，把一个充满气体的房间分成两个隔间。和所有气体一样，这种气体也是由单个粒子组成的。粒子的平均速度与气体的温度相对应，越快越热。但在任何给定的时间，一些粒子的运动速度会比另一些慢。

麦克斯韦建议说，如果是一个想象中的小生物——后来被称为恶魔，会怎么样呢被称为-坐在门口。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，恶魔就会让它进入左边的隔间。

过了一段时间，左边的隔间会充满缓慢、冷的粒子，右边的隔间会变热。这个孤立的系统似乎变得更有秩序，而不是更没有秩序，因为两个可区分的区域比两个相同的区域有更多的秩序。麦克斯韦创造了一个似乎违背了熵的上升和宇宙定律的系统。

“他试图证明一个熵会减小的系统，”他说拉娅德尔珈朵Callico他是伦敦国王学院的物理学家。“这是一个悖论。”

两个进步对解决麦克斯韦的恶魔至关重要。第一个是美国数学家Claude Shannon，被认为是创始人信息理论。1948年，香农证明了信息的信息量可以用他所说的信息熵来量化。“在19世纪，没有人知道信息，”他说Takahiro Sagawa.他是东京大学的物理学家。“现代对麦克斯韦妖的理解是由香农的工作确立的。”

这个难题的第二个关键部分是擦除原则。1961年，德裔美国物理学家罗尔夫·兰道尔(Rolf Landauer)指出，任何逻辑上不可逆的计算，比如从内存中删除信息，都会导致最小的非零功转化为向环境释放的热量，并导致相应的熵增加。兰道尔的擦除原理在信息和热力学之间提供了一个诱人的联系。“信息是有形的，”他后来说宣称．

1982年，美国物理学家查尔斯·贝内特解开了谜团在一起．他意识到Maxwell的恶魔是在核心提供信息处理机器：需要记录和存储有关各个粒子的信息，以便决定何时打开和关闭门。定期擦除此信息需要擦除此信息。根据Landauer的擦除原理，删除熵的兴起将多于弥补颗粒分类引起的熵的降低。“你需要付钱，”说冈萨洛marble是维也纳量子光学研究所和量子信息研究所的物理学家。恶魔需要为更多信息提供更多信息，导致净紊乱增加。

然后在21世纪，随着思想实验解决，实验开始了。“最重要的发展是我们现在可以在实验室中实现Maxwell的恶魔，”Sagawa说。

2007年科学家用过的一个光源的门，以展示Maxwell的恶魔的想法;2010年，另一个团队设计了一种使用恶魔信息产生的能源的方法哄珠艰苦的;2016年，科学家们将麦克斯韦妖的想法应用到两个不是气体而是光的隔间。

“我们改变了物质和光的角色，”他说Vlatko书他是牛津大学的物理学家，也是这项研究的合著者之一。研究人员最终做到了负责一个非常小的电池。

另一些人则想知道，是否存在一种要求不那么高的方法，可以利用信息从类似的系统中提取有用的工作。和2021年2月发表的研究物理评论信似乎找到了一种方法。工作使恶魔变成了赌徒。

这个由Manzano领导的团队想知道是否有一种方法可以在不需要信息要求的情况下实现类似于Maxwell 's demon的东西。他们设想了一个带门的双隔间系统，就像以前一样。但在这种情况下，门会自动打开和关闭。有时粒子会随机地将自己分成热的和冷的隔间。恶魔只能观察这个过程并决定何时关闭系统。理论上，这个过程可以产生一个小的温度不平衡，因此，如果魔鬼聪明地决定何时结束实验，并锁定任何温度不平衡，就像一个聪明的赌徒知道何时离开赌桌。“你可以在轮盘赌桌上玩一整晚，或者如果你赢了100美元，你可以停止，”说埃德加Roldan称是在意大利的国际理论物理中心的物理学家，是在该研究的一个共同作者。“我们说我们不需要像Maxwell的恶魔那样复杂的设备，以在第二法中提取工作。我们可以更加轻松。“然后，研究人员在纳米电子器件中实施了这种赌博恶魔，以表明它是可能的。

像这样的想法在设计更高效的热系统(如冰箱)，甚至在开发更先进的计算机芯片方面都很有用，这可能正接近兰道尔原理所规定的基本极限。

但是，虽然是我们的宇宙法律是安全的，即使在最大的审查之下也是如此。改变了什么是我们对宇宙中信息的理解，并通过我们对Maxwell的恶魔的欣赏，首先是一个麻烦的悖论，现在是一个非常宝贵的概念 - 有助于照亮物理世界和信息之间的非凡联系。

乔纳森·奥卡拉汉(Jonathan O 'Callaghan)是一名常驻伦敦的自由空间和科学记者。他经常为一些出版物撰稿，包括纽约时报，科学美国人，《新科学家》,《福布斯》,和《连线》杂志．你可以阅读更多他的作品或联系他jonathanocallaghan.com，或者在Twitter上找到他@Astro_Jonny．