赌徒，麦克斯韦的新恶魔

在麦克斯韦恶魔的新版本中，小家伙扮演了知道何时退出的赌徒角色。

根据热力学第二定律，热量将始终从热转移到冷，直到热量均匀散布并且不能被用来做有用的工作。然而，正如19世纪的麦克斯韦恶魔所证明的思想实验所证明的那样，有可能短暂地颠覆第二定律。研究人员现在想出一种新的方法来做到这一点，它需要在系统中进行最少的干预[1]。它涉及寻找良好的赌博策略，以利用粒子运动中的机会波动并提取有用的工作，并且该团队在纳米级电子设备中实施了他们的方法。他们说，该方法可用于提高微观热机和电动机的效率。

1867年，詹姆斯·克莱克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）辩称，可能有一种方法可以击败第二条定律。他想象一个微小的生物（一个“恶魔”）可以选择性地打开两个充满相同温度气体的隔室之间的活板门，以使较快移动（较热）的分子沿一种方向运动，而较慢的分子则沿另一种方向运动。最终，这种分离过程会在两个车厢之间产生温差，可以利用它们进行工作，例如为发动机提供动力。但是麦克斯韦的恶魔无法无限期地超越第二定律，因为即使是它所需要的最少信息收集，也最终导致了整体的散热[2]。

许多系统无法在单个分子的水平上进行控制，因此意大利国际理论物理中心的贡萨洛·曼萨诺（Gonzalo Manzano）和他的同事们想知道，是否有一种更简单的策略可以使恶魔暂时收集不需要这种详细信息的能量控制粒子。假设活板门以恶魔无法预测或控制的方式自动打开和关闭。它所能做的就是查看流程的进行情况-是否成功分离了冷，热颗粒？然后只有两种选择：让该过程继续或停止然后重新开始。

这个恶魔必须像玩老虎机一样赌博。如果您获得了一系列胜利，您会继续前进并有遭受失败的风险吗？什么时候是合适的时间退出？ Manzano及其同事表明，只有在活板门打开和关闭的时间顺序不对称（即不是回文顺序）时，才能在给定的运行中获胜（获得暂时的净能量收益）。

通常，恶魔会在给定的时间段内设置一些性能阈值（获胜或失败），以告知其是否停止。目前尚无独特的最佳赌博策略，但有些比其他的要好。曼扎诺说：“制定成功策略的一种方法是在事情变糟时停止，以避免重大损失。”

研究人员与芬兰阿尔托大学的纳米电子学专家Jukka Pekola合作，制造出可以实现其方案的设备。它由与金属岛隔开一定距离的电极组成。当冷却到开尔文度的几分之一时，单个电子可以在岛和电极之间跳跃。施加到岛上的电压控制跳跃的机会，因此就像活板门一样。当电子跳到岛上时，从电极提取的热量就可以转化为功。相反，当电子从岛跳到电极时，热量就会消散。

研究人员对可提取的网络与“开门”协议中的时间不对称程度之间的关系的预测已通过实验得出。一些“停止”策略可以暂时提取工作，而另一些则不能。 （就麦克斯韦的恶魔而言，从长远来看，没有人能超越第二定律。）

Manzano说，他们的方法可能用于改善微型电动机的性能，这些微型电动机的目的是利用信息“消除”环境中的随机波动，例如所谓的热棘轮[3]。该方案的量子版本旨在从随机量子跃迁中提取功，也可以在量子热机中实现[4]。

马德里大学的理论物理学家胡安·帕隆多说，赌博的恶魔令人惊讶，因为它“与其他麦克斯韦恶魔相反，当可逆地执行该协议时，魔鬼会更有效”。他说，赌博恶魔的方法如果可以自动完成，则可能在实际设备中有用，因为这种想法在概念上类似于标准原子冷却技术，在该技术中，能量大于给定阈值的原子被去除了。

菲利普·鲍尔（Philip Ball）是伦敦的自由科学作家。他的最新著作是《如何培育人类》（芝加哥大学出版社，2019年）。

G. Manzano等人，“赌博恶魔的热力学”，物理。莱特牧师126，080603（2021）。

E. Lutz和S. Ciliberto，“信息：从Maxwell的恶魔到Landauer的橡皮擦”，《物理学》。今日68，30（2015）。

R. Vale，“蛋白马达和Maxwell的恶魔：机械化学转导涉及热棘轮吗？”进阶生物物理学。 26，97（1990）。

J. Klatzow等人，“微观热机运行中量子效应的实验演示”，物理。 莱特牧师 122，110601（2019）。 统计物理一种随机模型，可以分析少数球员的动作，正确地再现了近2000种现实足球比赛的统计数据。 阅读更多 ” 统计物理学与传统观点相反，根据一种新理论，足够小的冷物体加热到其周围环境的温度要快于温暖物体的冷却。 阅读更多 ” 统计物理学气候科学家迈克尔·吉尔（Michael Ghil）描述了我们对气候变化的理解方面的差距。 阅读更多 ” 更多文章