Maxwell的恶魔继续惊吓科学家

宇宙对疾病进行赌注。例如，想象一下，将一个浑浊的红染料扔进游泳池里。所有这些染料分子都将慢慢蔓延到整个水中。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。

一个差不多。由苏格兰物理学家詹姆斯·克劳克·麦克斯韦尔（James Clerk Maxwell）设计了一个思想实验，这是115年的科学家。甚至在发现解决方案后，物理学家仍然继续使用“Maxwell的恶魔”将宇宙的法律推向他们的限制。

在思想实验中，Maxwell Imagininded将一个装满气体的房间分成两个隔间，通过与小门竖立墙壁。像所有气体一样，这个是由个体颗粒制成的。颗粒的平均速度对应于气体的温度 - 更快更热。但在任何给定的时间，一些颗粒比其他颗粒更慢。

如果是，建议麦克斯韦尔，一个微小的想象中的生物 - 一个恶魔，因为它后来被称为 - 坐在门口。每当它看到从左侧接近左侧的快速移动颗粒时，它都会打开门并进入右侧舱。每次从右侧接近缓慢移动的粒子，那么恶魔就会进入左手舱。

过了一会儿，左手舱将充满缓慢，冷颗粒，右侧舱会变热。这种孤立的系统似乎更有序地增长，而不是较少的，因为两个可区分的隔间比两个相同的隔间有更多的顺序。 Maxwell创建了一个似乎蔑视熵的崛起的系统，从而造成宇宙的法律。

“他试图证明一个系统在熵会减少的系统中，”伦敦国王大学的物理学家Laia delgado Callico说。 “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，被认为是信息理论的创始人。 1948年，Shannon表明，可以用他所谓的信息熵量来量化消息的信息内容。 “在19世纪，没有人知道信息，”东京大学的物理学家高达罗萨戈岛说。 “由香农作品建立了对麦克斯韦恶魔的现代理解。”

拼图的第二个重要部件是擦除原则。 1961年，德国美国物理学家Rolf Landauer表明，任何逻辑上不可逆转的计算，如从内存中擦除信息，都会导致最小的非零作品转换为倾倒在环境中的热量，以及熵的相应增加。 Landauer的擦除原理提供了信息和热力学之间的诱色链接。 “信息是物理的，”他后来宣称。

1982年，美国物理学家查尔斯贝内特将拼图的碎片放在一起。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，”维也纳量子光学研究所和量子信息研究所的物理学家冈萨洛曼扎纳说。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，科学家们使用了一个轻盈的门来展示Maxwell的恶魔在行动中的想法; 2010年，另一个团队设计了一种方法来利用恶魔信息产生的能量，以哄骗珠子上坡;在2016年，科学家们将Maxwell的恶魔的想法应用于两个不含天然气的两个隔间，而是光线。

“我们切换了物质和光明的角色，”牛津大学的物理学家弗拉特科·八马德马斯说，一位物理学家和研究的共同作者之一。研究人员最终能够为一个非常小的电池充电。

其他人想知道是否有苛刻的方法可以使用信息来从类似系统中提取有用的工作。和研究在2月份出版的物理审查信函似乎已经找到了这样做的方法。这项工作使恶魔成为赌徒。

该团队由Manzano领导，想知道是否有办法实施Maxwell的恶魔，但没有信息要求。他们以前想象一个双隔室系统，如前所述。但在这种情况下，门将独立并关闭。有时颗粒会随机将自己与更热和更冷的隔间分开。恶魔只能观看这个过​​程并决定何时关闭系统。在理论上，这个过程可以产生小的温度不平衡，因此是一个有用的热力发动机，如果恶魔态度何时何时结束实验并锁定任何温度不平衡，就像一个热条纹上的智能赌徒就知道何时离开桌子。 “你可以在轮盘赌桌上整晚玩，或者你可以停止，如果你赢得100美元，意大利理论物理中心的物理学家ÉdgarRoldán说，这是该研究的共同作者。 “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。

这样的想法可以证明在设计更高效的热系统，如冰箱，甚至在开发更先进的电脑芯片时，这可能是在兰德默原则上决定的基本限制。

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，并借助于麦克斯韦的恶魔，首先是一个麻烦的悖论，现在是一个宝贵的概念 - 有助于照亮物理世界和信息之间的非凡联系。