150年前的物理学妖精 首次出现在了实验室里

图1:单电子麦克斯韦妖:该系统是一个盒子，只包含一个电子，连接到一个外部势场。麦克斯韦的恶魔监控着盒子里的电荷。如果一个电子(蓝色)进入盒子，恶魔会立即施加正电荷将它束缚在里面(左边)，而如果电子离开盒子，恶魔会施加负电荷将它束缚在外面(右边)。这个系统相当于麦克斯韦的通过开关门将快粒子和慢粒子分开的系统。

麦克斯韦的恶魔已经在物理学家的头脑中盘旋了将近150年。最初是由物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦提出的，地精可以根据粒子的速度来分类，这样就可以在一团气体中把热量从冷的区域传递到热的区域。乍一看，这似乎违反了热力学第二定律，但请注意，如果你想让小妖精正确执行指令，你必须通过外部世界对其进行处理，因此小妖精和盒子系统不是一个封闭系统，这就解决了悖论。然而，这种解释并不完全令人满意，因为它引入了一种外在的——不一定是物质的——存在来对地精进行研究。芬兰阿尔托大学的朱卡·佩科拉(Jukka Pekola)和他的同事们最近创造了一种等效的麦克斯韦妖，它可以在没有外力的情况下自行运行，从而消除了对这种“外力”的依赖。这种完全自给自足的自动设备也被称为“信息机”。直到现在，它只存在于科学家的想象中，而这个实验也为检验热力学和信息处理理论的基本定律提供了一种新的方法。

在19世纪下半叶，热力学第二定律还是一个新事物。这个定律被用来解释一些特殊的热力学现象，如热量不能从冷物体传递到热物体而不做功(克劳修斯表达式)，热机的效率不能达到100%(卡诺定理)。然而，一些物理学家质疑该定律是否适用于描述大量粒子平均行为的系统，还是适用于每一个粒子。为了说明这种平均效应，著名的物理学家和统计物理学的先驱麦克斯韦在1867年给他的同事彼得·泰特写了一封信，提到了一个似乎违反克劳修斯声明的意识形态实验:想象一个装满气体分子的盒子，分成两部分，中间有一个可以打开和关闭的门，一个特别灵巧的小妖精坐在门边，它可以测量气体中每个粒子的速度，并相应地打开或关闭门，让较快的粒子向右移动，较慢的粒子向左移动。这个筛选过程最终会导致盒子在右边变得更热，在左边变得更冷，这违反了克劳修斯关于热力学第二定律的说法，即热量不能在不做功的情况下从冷物体传递到热物体。

麦克斯韦的恶魔一出现，就吸引了整个物理学界，并带来了许多重要的新发现，比如关于信息的热力学理论。然而，最重要的想法是在20世纪60年代由IBM研究员罗尔夫·兰道尔提出的。他意识到，如果地精想不依赖外界工作而自发行动，仍然会有额外的成本:如果地精的记忆有限，他们的“记忆”最终会随着气体速度信息的积累而溢出。因此，为了让他们持续工作，他们需要定期清空他们的记忆，这需要对他们进行工作，而这部分工作完全相当于地精筛选冷热粒子所需的工作。这个想法不仅再次证明了热力学第二定律的正确性，而且表明“信息是物理的”然而，这仍然没有完全消除思想实验中涉及的“形而上学的存在”，也没有告诉我们如何实际创造麦克斯韦妖。你可能会问:谁或什么会抹去妖精的记忆？你需要想象另一个“麦克斯韦妖”来对付麦克斯韦妖吗？

最近，研究人员重新考虑了这一系列概念问题，将他们的研究重点从设计需要外力的麦克斯韦妖转移到独立行动的麦克斯韦妖。有趣的是，物理学家利奥·齐拉特在80年前就预见到了这个框架的诞生。西拉德非常不喜欢“利用超自然的和类人的智能来操纵麦克斯韦的恶魔”的想法。他认为应该有可能创造一个具有麦克斯韦妖功能的自动甚至机械系统，但要完全遵守物理定律。虽然这个想法吸引了许多人的注意，但它一直只存在于理论中。

然而，佩科拉和他的同事已经把西拉德设想的妖精从理论变成了现实。他们的设备包括两个包含单电子的“盒子”，一个“系统盒子”和一个“妖精盒子”。系统盒由一个小金属(铜)“岛”和两根金属线通过超导铝材料连接而成，允许电子隧穿到岛或岛外。超导材料被用来确保在电子传输过程中不产生热量，这样进出系统的热量和信息可以被精确地跟踪。系统盒通过类似的电子结构与邻近的地精盒连接，并且可以检测当电子进入或离开“岛”时引起的电压变化，这反过来可以激励地精:当电子隧穿到岛时，地精盒将相应地施加正电荷以将它束缚在里面，而当电子离开岛时，地精将施加负电荷以排斥它。总之，地精产生的电荷将为电子设置一个屏障，迫使它们做“上坡运动”，导致整个系统冷却下来。科学家们没有对地精施加任何外部控制。这完全是自动的。所有这些都来自两个电子“盒子”的巧妙设计。

研究人员已经表明，地精的行为导致系统温度的降低和自身温度的升高，这与理论模型的预测一致。温度变化是通过系统和地精之间的相互信息来测量的。相互信息指的是系统和小妖精之间的一致程度。简而言之，这是妖精们对系统的“理解”

这个实验系统完全符合我们简单的直觉——信息可以用来提取比第二定律所允许的更多的工作。这并不意味着第二定律已经被打破，而是第二定律在具体情况下的具体应用。对于麦克斯韦的恶魔来说，恶魔所拥有的信息会带来一些熵。奥尔托大学团队的实验还表明，自动麦克斯韦妖实际上是可以创造出来的，而不仅仅是存在于理论意识形态实验中。然而，对信息熵的深入理解也有助于我们提高信息读写的效率，在远程操作和控制中有着应用前景。

正如西拉德或一些最近的理论工作所预测的，有一天我们可能会发明一个真正的机械妖精。像机械热机一样，机械妖精可以帮助我们更直观地理解热力学的基本定律。

作者:塞巴斯蒂安·德夫纳是洛斯阿拉莫斯国家实验室的博士后研究员。他运用统计物理学、开放量子动力学、量子信息论、量子光学、凝聚态理论和最优控制理论来研究远离平衡的纳米系统的行为。

文/丁译