麦克斯韦妖高中物理（麦克斯韦妖再现江湖）
麦克斯韦妖高中物理（麦克斯韦妖再现江湖）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。其实在150年前，就有科学家找到了热力学第二定律的bug！也许你会说，空调和冰箱都是让热量逆向传递了啊。其实，空调和冰箱实现制冷的前提也是依靠压缩机做功，并不能让热量自觉从低温部分转移到高温部分。不过你知道吗？
明敏 萧箫 发自 凹非寺
量子位 报道 | 公众号 QbitAI
一盆热水放着就会逐渐变冷。
在这背后是一条著名的物理学法则——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起，热的铁块会迅速将热量传给冷的铁块，最终达到相同的温度。
也许你会说，空调和冰箱都是让热量逆向传递了啊。
其实，空调和冰箱实现制冷的前提也是依靠压缩机做功，并不能让热量自觉从低温部分转移到高温部分。
不过你知道吗？
其实在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。
现在，居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：
怎么科学界还搞牛鬼蛇神？
其实这只是一个假设。
麦克斯韦设想，将一个装有气体分子的盒子，用挡板隔成两个部分，在挡板上设置一个非常小的门，假设有一个非常非常小的妖精把守门口。
气体分子速度有快有慢，我们可以把它们分成两类：一类是速度比较慢的“冷分子”，一类是速度比较快的“热分子”。
于是，这个“麦克斯韦妖”就蹲在门口附近观察，如果左边有“冷分子”撞过来，就把门打开，让它过去，然后快速关上门。
同理，它也会把“热分子”释放到左边去。
这样经过一段时间反复操作后，左边只有“热分子”，右边只有“冷分子”。
因为麦克斯韦设想的妖精非常小，门也非常轻，因此做功可以被忽略不计。
那么矛盾就来了。
麦克斯韦妖居然不怎么做功就实现了热量的逆向流动，热力学第二定律居然被推翻了？
热力学第二定律显然是对的（否则就能造出永动机），那么麦克斯韦设想的妖怪究竟在哪里出了问题？
一种观点认为，测量分子的速度会消耗能量，从而导致系统“熵增”，其实这没有触及到问题的本质。
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可以被量化的，并提出了“信息熵”；
在此基础上，1961年德国裔美国物理学家罗尔夫·朗道尔(Rolf Landauer)提出了Landauer原则。
他认为任何抽象信息都必须有物理载体，对信息的操作就意味着对物理载体的操作，而对信息的处理有些是逻辑不可逆的，因此也就会伴随着热力学上的不可逆。
朗道尔认为，在平衡态下擦除1bit的信息，至少要消耗的能量为kTln2 (k为玻尔兹曼常数，T为环境温度)。
换而言之，改变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，比如擦除信息就是不可逆的，因为它会把所有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起，提出：麦克斯韦妖的核心是一个信息处理器。
它需要记录和存储关于单个粒子的信息，以便决定何时开门、关门。并且它需要定期删除这些信息，清一下“内存”。而根据“擦除”原理，擦除信息回带来熵的增加，将远远超过粒子分选所引起的熵减。
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此更加完善。
不过科学家们可没有就此作罢，他们对这个“小妖精”一直热情不减。
虽然最终麦克斯韦妖并不违反热力学第二定律，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，大家真的开始试着在实验室造“妖”了！
最早在2007年，科学家们用一种光能门，实现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，以西拉德发动机概念为基础，研究出了如何将纳米级珠子诱导上螺旋楼梯的方法。
2013年，德国科学家用一对相互作用的量子点(只有几纳米宽的微型半导体)建造了一个麦克斯韦妖实验装置。
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，创造了一个量子意义上的麦克斯韦妖。
“赌徒版”麦克斯韦妖然而，这些年提出、以及实现的各版本麦克斯韦妖，还是太复杂了。
无论是用化学粒子、还是用光子实现，本质上都是在重复用信息换能量的过程。
也就是说，麦克斯韦妖需要掌握门板两侧的粒子信息，来决定是否开关门板。
有没有一种办法，来搞出一个“手头上没有任何信息”的麦克斯韦妖？
它会不时消耗一点能量，来看看系统有没有“获取能量”，并决定要不要继续这一过程。
如下图，W是麦克斯韦妖消耗的能量，而F是系统可能获得的自由能量（随着门板开关，恰好成功分离了冷热粒子）。
它看不见系统里的状态，因此没办法控制门板的开关，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”——
它不知道系统下一刻的状态，也不知道自己消耗的能量能否换取更多自由能量，所能做的只有靠“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（没有获得能量）的话，下一局还会输吗？要是我停止赌（消耗能量）的话，能及时止损吗？
这会出现两种情况：
其一，消耗的能量太多，超过了一个阈值。这时候，麦克斯韦妖就会“啪”一下离开赌桌：不玩了！
其二，只用极少的能量消耗，麦克斯韦妖就获得了巨大的自由能量（无意间分离了大量冷热粒子），那么它也可以选择立即结束游戏：狠赚一笔！
如果出现第二种情况的话，实际上就短暂地颠覆了热力学第二定律——消耗少量能量，来换取更多的自由能量。
对于这种现象，来自国际理论物理中心ICTP的物理学家、作者之一édgar Roldán解释：
这就像你既可以在赌桌上玩一整夜，也可以在赢了100美元后立即停手。
当然，最重要的是，现在科学家实现了这个“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，单个电子就可以实现在电极和铜岛之间“反复横跳”。
其中，从电极到铜岛上是消耗能量的过程；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测量两边的电量，这就做出了一个“赌徒版”的麦克斯韦妖——
期间，系统可以随时被停止，也可以继续下去，一切都取决于麦克斯韦妖的判断。
研究者们认为，这一系统仍然能被用于提升微观热机和发动机的性能。
“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，虽然这个“赌徒版”麦克斯韦妖，能偶然打破热力学第二定律，但在长期统计下，是不可能一直打破热力学第二定律的。
有网友表示，自己已经看破了这个“赌徒版”麦克斯韦妖的小伎俩：
这不就是N=1和N=1000之间的差异？如果只做一次实验，确实可能偶然颠覆这一定律。毕竟根据“赌徒定理”——久赌必输嘛。
顿时有网友陷入了迷思：
要是掌握（赌博）技巧，是否就能超越极限？
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”麦克斯韦妖成功的方法之一，就是在事情变坏的一刹那，及时止损，以避免更巨大的损失。
连物理学家都如此劝诫，赌博这个东西，确实别沾为妙（手动狗头）。
论文地址：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.080603
参考链接：
[1]https://www.quantamagazine.org/how-maxwells-demon-continues-to-startle-scientists-20210422/
[2]https://arstechnica.com/science/2021/03/new-gambling-version-of-maxwells-demon-knows-when-to-fold-em/
[3]https://physics.aps.org/articles/v14/31
— 完 —
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