本文關(guān)鍵詞：物理學，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

　　圖1：單電子麥克斯韋妖：系統(tǒng)是只含一個電子的盒子，與一個外勢場相連。麥克斯韋妖監(jiān)控著盒子所帶的電荷，如果一個電子(藍色)進入盒子，妖精就會立即施加一個正電荷把它束縛在里面(左)，而如果電子離開盒子，妖就施加一個負電荷把它困在外面(右)。這個系統(tǒng)與麥克斯韋所設(shè)想的通過開關(guān)門的方法把速度快的粒子和速度慢的粒子隔開的系統(tǒng)等價。

　　麥克斯韋妖已經(jīng)在物理學家心目中盤旋了近150年。這個妖精最初由物理學家麥克斯韋(James Clerk Maxwell)提出，可以根據(jù)粒子的速度對它們進行分類，從而可以在一團氣體中將熱量從冷的區(qū)域傳遞到熱的區(qū)域。乍一看這好像違反了熱力學第二定律，但注意到如果想讓妖精正確執(zhí)行指令，就得通過外界對它做功，因此妖精與盒子的體系不是一個封閉體系，這就解決了悖論。然而，這個解釋不能完全令人滿意，因為它引入了一個外界的——還不一定是物理的——存在來對妖精做功。來自芬蘭阿爾托大學的尤卡·佩科拉(Jukka Pekola)及其同事最近在實驗中制造出了一個無需外力做功、能自我運行的麥克斯韋妖的等價體，從而消除了對這個“外力”的依賴。這個完全自給自足的自動設(shè)備也被稱為“信息機器”(information machine)，在此之前它一直只存在于科學家的設(shè)想中，而這一實驗也提供了一個新方法來檢測熱力學基本定律和信息處理理論。

　　19世紀后半葉，熱力學第二定律還是個新鮮事物。該定律用來解釋一些特殊的熱力學現(xiàn)象，如熱量不能在不做功的情況下從冷的物體傳遞給熱的物體(克勞修斯表述)，以及熱機的效率不可能達到(卡諾定理)。但也有物理學家質(zhì)疑該定律是對一個描述大量粒子平均行為的系統(tǒng)成立，還是對每一個粒子都成立。為闡明這種平均效應(yīng)，物理學家、統(tǒng)計物理學先驅(qū)麥克斯韋在1867年給同事彼得·泰特(Peter Tait)寫信，提到了一個看似違反克勞修斯表述的思想實驗：設(shè)想有一個充滿了氣體分子的盒子，分成兩部分，中間有一個可以開閉的門，門邊坐著一個特別靈巧的妖精，可以測量氣體中每個粒子的速度并相應(yīng)地將門打開或關(guān)閉，讓速度較快的粒子去往右邊，速度較慢的粒子去往左邊。這個篩選過程最終就將導致盒子的右邊越來越熱、左邊越來越冷，違反了熱力學第二定律的克勞修斯表述，即熱量不能在不做功的情況下從冷的物體傳遞給熱的物體。

　　麥克斯韋妖一出現(xiàn)，就讓整個物理學界深深著迷，并帶來了很多重要的新發(fā)現(xiàn)，如關(guān)于信息的熱力學理論。但最重要的思想是于20世紀60年代由IBM研究員羅爾夫·蘭道爾(Rolf Landauer)提出的，他意識到，想讓妖精不依賴外界做功而自發(fā)行動，仍然會有一個額外的代價：如果妖精的記憶力是有限的，那么隨著氣體速度信息的累積，它的“內(nèi)存”終究會溢出，因此，為了使它持續(xù)工作，就需要定期清空它的內(nèi)存，而這是需要對它做功的，且這部分功完全等同于讓妖精篩選冷熱粒子所需要的功。這一想法不僅再次證實了熱力學第二定律的正確性，也表明“信息是物理的”。但這仍然沒有完全消除該思想實驗中涉及到的“形而上學的存在”，也沒有告訴我們究竟怎樣能真正制造出一個麥克斯韋妖來，你或許會問：讓誰，或者什么來清除妖精的記憶呢?需要再設(shè)想一個“麥克斯韋妖之妖”來作用于麥克斯韋妖嗎?

　　最近，研究者重新思考了這一系列概念上的問題，將研究重點從設(shè)計需要外力操縱的麥克斯韋妖轉(zhuǎn)向了獨立行動的麥克斯韋妖。有趣的是，在80年之前，物理學家萊奧·西拉德(Leo Szilard，愛因斯坦簽名并上書羅斯福總統(tǒng)啟動曼哈頓計劃的請愿書便是由他撰寫)就預(yù)見到了這一框架的誕生。西拉德很不喜歡“用超自然的、近似人類的智能來操縱麥克斯韋妖”這一想法，認為應(yīng)當能夠制造出一個自動的，甚至是機械的系統(tǒng)，有麥克斯韋妖的功能，，但完全遵守物理學定律。雖然這一想法吸引了很多人的注意，但一直以來它只存在于理論中。

　　而佩科拉及其同事則將西拉德設(shè)想的妖精從理論變成了現(xiàn)實。他們的設(shè)備包含兩個含有單電子的“盒子”，一個“系統(tǒng)盒”，一個“妖精盒”。系統(tǒng)盒由一塊小的金屬(銅)“島”與兩條金屬導線通過超導鋁材料連接而成，可以讓電子隧穿到島上或島外。之所以使用超導材料，是為了保證電子傳輸過程中不產(chǎn)生熱量，這樣就可以跟蹤進入和離開系統(tǒng)的熱量與信息。系統(tǒng)盒與鄰近的妖精盒以類似的電子結(jié)構(gòu)相連，可以探測一個電子進入或離開“島”時造成的電壓變化，而這個電壓變化反過來又能激發(fā)妖精：電子隧穿到島上時，妖精盒會相應(yīng)施加一個正電荷，把它束縛在里面，而電子離開島時，妖精會施加一個負電荷把它排斥在外�？偠灾a(chǎn)生的電荷會電子設(shè)置一個勢壘，逼著電子做“上坡運動”，導致的結(jié)果就是整個系統(tǒng)被冷卻下來。科學家沒有對這個妖精施加任何外部控制，它是完全自動的，這一切都是來自于對兩個電子“盒”的巧妙設(shè)計。

　　研究者表明，妖精的行動導致了系統(tǒng)的溫度下降以及它自己的溫度上升，這與理論模型的預(yù)測是一致的。溫度變化通過系統(tǒng)和妖精之間的交互信息(mutual information)來測定，交互信息是指系統(tǒng)與妖精之間的相干程度，簡單來說，就是妖精對系統(tǒng)的“了解程度”。

　　這一實驗系統(tǒng)完全符合我們的簡單直覺——信息可以用來提取出比第二定律所允許的更多的功。這不意味著第二定律被打破了，而是第二定律在具體情況下的具體應(yīng)用。對麥克斯韋妖來說，妖精掌握的信息就會帶來一部分熵。阿爾托大學團隊的實驗還表明，自動的麥克斯韋妖是可以實實在在地被制造出來的，而不是只存在于理論中的思想實驗。而加深對信息熵的了解，或許也能幫助我們提高信息讀寫的效率，在遠程操作與控制等方面有應(yīng)用前景。

　　如西拉德或最近的一些理論工作所預(yù)言，在將來的某，我們可能會發(fā)明出一個真正的機械妖精，同機械熱機一樣，機械妖精可能會幫助我們更直觀地理解熱力學基本定律。

　　本文作者：塞巴斯蒂安·德夫納是美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的博士后研究員，他利用統(tǒng)計物理學、開放量子動力學、量子信息理論、量子光學、凝聚態(tài)理論和控制理論等工具研究遠離平衡態(tài)的納米系統(tǒng)的行為。

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