麥克斯韋的妖(參考版)
2024-08-27 00:38本頁面
【正文】 ? 純屬臆想的麥克斯韋妖已被證明是無能的，多年來它被作為子虛烏有的“從無序向有序轉(zhuǎn)變能力”的代名詞。其實(shí)，麥克斯韋妖只是開放系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，靠外界輸入能量或信息執(zhí)行某種任務(wù)，并不違背熱力學(xué)第二定律。“魔鬼”需要擦除（或者可以說“遺忘”）過去每次操作先要選擇哪個(gè)分子的信息，這樣的信息擦除會(huì)釋放出熱量，并增加了熵，熵的增量比惡魔為了平衡熵而失去的量還多。蘭德爾的閾值只適用與比特重置進(jìn)行無限慢的情況，而魯茲和同事發(fā)現(xiàn)，當(dāng)他們用更長的轉(zhuǎn)換周期時(shí)，能量散發(fā)量會(huì)越小，并逐漸趨于穩(wěn)定，平衡等同于蘭德爾所預(yù)計(jì)的量值。研究人員通過調(diào)節(jié)激光功率大小來控制能量峰的高度，輕微的移動(dòng)包含著小硅球的凹點(diǎn)，使其離開激光的焦點(diǎn)，傾斜其中一個(gè)凹點(diǎn)，使得硅球從一個(gè)凹點(diǎn)進(jìn)入另外的凹點(diǎn)，完成狀態(tài)切換。 ? 為了檢驗(yàn)該理論，研究人員構(gòu)造了一個(gè)簡單的包含兩個(gè)狀態(tài)的單比特：用顯微鏡觀測，激光束構(gòu)造“光陷阱”困住小硅球，該“陷阱”有兩個(gè)可容納小球的凹點(diǎn)，分別表示狀態(tài) 1和 0，中間有一道由能量做成的“山峰”將兩個(gè)凹處隔開。現(xiàn)在看來，他的研究證明了蘭道爾的理論確實(shí)是正確的。蘭道爾證明，重置 1比特的信息都會(huì)釋放出熱量，也就是說，將計(jì)算機(jī)中的一個(gè)二進(jìn)制比特位置零，不管初始值為 1或 0，都會(huì)釋放出極少的熱量，該能量大小即為蘭道爾的閾值，與環(huán)境溫度成比例。另外，他們也能精確地測量出有多少能量由信息轉(zhuǎn)化而來 。在實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)小球沿階梯向上爬一層后，研究人員就使用電場在小球爬上的那層階梯加一面“墻”，讓小球無法回到低的那一層，這樣小球就能一直向上爬。 佐野雅樹領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室讓一個(gè)直徑為 287納米的聚苯乙烯小球沿電場制造的微小旋轉(zhuǎn)階梯向上爬動(dòng)，并將小球拍照?！肮铝⑾到y(tǒng)”是熱力學(xué)第二定律的熵增原理必不可少的條件，而這兩項(xiàng)研究借助的系統(tǒng)都不是孤立系統(tǒng)，而是與外界有能量交換的開放系統(tǒng)，不同之外在于前者使用的是光能，而后者使用的是電能。物理學(xué) 》 網(wǎng)絡(luò)版上報(bào)告稱，他們在實(shí)驗(yàn)室中讓一個(gè)納米小球沿電場制造的“階梯”向上爬動(dòng)，爬動(dòng)所需的能量由該粒子在任何給定時(shí)間朝哪個(gè)方向運(yùn)動(dòng)這一信息轉(zhuǎn)化而來，這意味著科學(xué)家首次在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了信息到能量的轉(zhuǎn)化，驗(yàn)證了約 150年前英國物理學(xué)家麥克斯韋提出的“麥克斯韋妖”這一設(shè)想。 ?
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