物理學四大神獸之一也懂賭博?科學家造出會賭博的「麥克斯韋妖」

短暫顛覆熱二定律

學傢通過提出一個賭博版的麥克斯韋妖,在這個版本中,隻需要對系統進行最小的幹預就能打破第二定律。

物理學四大神獸之一也懂賭博?科學傢造出會賭博的「麥克斯韋妖」
物理學四大神獸之一也懂賭博?科學傢造出會賭博的「麥克斯韋妖」

何謂熱力學第二定律

在物理學中,熱力學第二定律表明,熱量總是會從高溫部分向低溫部分轉移,直到它均勻地分散,在此過程中,熵一定會有所增加。這是一個可以幫助我們區分過去與未來的定律,它定義瞭“時間的箭頭”。那麼,熱力學第二定律有可能被違反嗎?

在19世紀,詹姆斯·克拉克·(James Clerk Maxwell)提出瞭一個思想來挑戰第二定律,這個實驗就是著名的“麥克斯韋妖”,這隻有趣的“妖”,讓熱力學第二定律有瞭被短暫顛覆的可能。

在這個思想實驗中,有一盒被隔板一分為二的,盒子的每一邊都包含等量的有著相同平均速度的分子。隔板是可移動的,有一隻小妖可以有選擇地打開隔板。小妖“把守”隔間,讓移動速度比平均速度快的分子(高溫)朝一個方向移動,讓移動速度比平均速度慢的分子(低溫)朝另一個方向移動。

最終,通過這種方式,小妖可以“分離”高溫分子和低溫分子,而分離過程讓兩個隔間之間產生瞭溫差,一邊的隔間變得更冷,另一邊變得更熱。這種溫差可被用來做功——能夠在不需輸入任何額外的情況下驅動發動機。如此一來,熱力學第二定律就被打破瞭。

但是,麥克斯韋妖不能無限地打破第二定律。從統計學上說,按速度或對數以億計的分子進行分類和分離幾乎是不可能的,這在理論上是需要施以大量額外的能量才有可能做到的事。因為在小妖執行任務時,麥克斯韋妖會提供瞭額外的能量,無論多小,最終也會導致熵增,因此第二定律並沒有被違反。

新版麥克斯韋妖

現在,研究人員現在想出瞭一種新的方法來實現這種顛覆。在一篇於近期發表在《物理評論快報》上的研究中,一隊物理學傢通過提出一個賭博版的麥克斯韋妖,在這個版本中,隻需要對系統進行最小的幹預就能打破熱力學第二定律。

在許多系統中,想要在單分子水平上進行控制幾乎是不可能實現的。因此在新研究中,研究人員想知道是否存在一種更簡單的策略,能夠讓小妖不對系統進行高精度控制的情況下獲得能量。在他們的新設想中,這隻微觀尺度的小妖隻能被動地觀察隔板的開啟和關閉,且隔板的開啟和關閉方式是小妖既不能預測也不能控制的。再根據每次觀察冷熱粒子是否有因為隔板的開啟和關閉而成功分離,小妖必須做出選擇——要麼繼續這個過程,將遊戲“玩”下去;要麼停止這個遊戲,重新開始。

在這裡,這隻小妖就像是在玩一個分子級的賭博機,在每結束一輪後決定是繼續玩還是放棄。每一回合都會產生功的成本,類似於每次玩賭博機都要投入遊戲幣作為成本一樣。

賭博的麥克斯韋妖。在新版本的思維實驗中,麥克斯韋妖反復地玩一個賭博機。圖中的金幣代表賭博機可能會也可能不會釋放的自由能量。這一版本中的麥克斯韋妖隻能被動地觀察每個回合後的情況來決定是繼續玩還是停止,每個回合都會產生成本。小妖所采用的策略是,要麼它可以玩一段固定的時間(右),或者在獲勝情況良好時決定提前停止(左)。| 圖片來源:G. Manzano et al Alan Stonebraker / APS

那麼,什麼時候是最佳的放棄時機?賭博的小妖必須通過利用粒子運動中偶然出現的隨機波動來確定最佳策略,提取有用的功,以在其獲取的能量中維持暫時的凈增益。研究人員發現,隻有當隔板的開啟和關閉順序在時間上不對稱時,也就是說這個順序不是回文式的,那麼在給定的回合中小妖才有可能“贏”,即獲得暫時的凈能量增益。

研究人員介紹說,沒有單一的成功策略,一種制定成功策略的方法就是在情況“變得更糟”的時候放棄,及時止損,避免重大損失。

 

金屬島上的實驗

在新的研究中,物理學傢制造瞭一種能實現這種設想的設備。在這種設備中,一些電極與一個金屬島通過間隙隔開。當設備被冷卻到隻比絕對零度高幾分之一開爾文的溫度時,單個電子就可以在金屬島和電極之間跳躍。施加在金屬島上的電壓可以控制跳躍的幾率,它就像是麥克斯韋妖所面對的那扇隔板。當電子從電極躍上金屬島時,從電極上提取到的熱量就可以轉化為功;當電子從金屬島跳到電極上時,熱量就會消散。

電子麥克斯韋妖。圖中所示的是用於實現賭博的麥克斯韋妖的設備。四個角落所顯示的錐形結構是電極,單個電子可以從電極跳躍到中間的帶狀銅島上。每次跳躍就像一個氣體分子穿過麥克斯韋妖的門板。通過對銅島施加電壓,可以控制電子的跳躍。| 圖片來源:G. Manzano et al./ Physical Review Letters

研究人員觀察到,在有的情況下,采用“停止”策略可以暫時地提取到功;在另一些則不能。這樣的結果正如理論中的麥克斯韋妖一樣——無法長時間地打破第二定律。

通過在納米級電子設備上實現瞭賭博版的麥克斯韋妖後,研究人員認為他們的方法或許在未來可被用來提高微觀熱機和發動機的性能。