我們最終驅走麥克斯韋妖了嗎?它總是試圖違反熱力學第二定律

2021-01-07 萬象經驗

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科學家們利用計算機模型擴展了物理學中一個著名的思維實驗。麥克斯韋妖這個概念似乎違反了熱力學第二定律,150年來,科學家們一直在爭論它到底是什麼意思。現在,來自德國馬克斯·普朗克光科學研究所的物理學家斯特拉·塞、史蒂芬·尼姆裡克特和瓦萊裡奧·斯卡拉尼認為,秘密在於限制這個有名無實的魔鬼的能力。

科學家們開始說:「我們討論了一個測量驅動引擎的自包含自旋玻色子模型,其中一個惡魔通過測量和反饋控制從量子自旋的熱激發中產生功。」

熱力學第二定律廣泛地說,熱量從較熱的物體轉移到較冷的物體,而不是相反的方向,能量會擴散到充滿空間的地方。通常這意味著系統內的溫度會達到相當均勻的平均值。

《大英百科全書》解釋說:「從本質上講,這個定律說明熱量不會自然地從低溫物體流向高溫物體,要做到這一點,必須付出努力。」技術可以將這種趨勢作為不同裝置和機構設計的一部分。而且,就像任何定律一樣,科學家們喜歡試圖打破它,或者證明它在理論上是可以被打破的。

這種逆向衝動的一個經典版本是麥克斯韋妖(Maxwell 's Demon),這是一個思維實驗,在這個實驗中,一個智能的妖是在不同加熱氣體粒子打轉的房間之間的保鏢。惡魔打開了一扇門,把高能量(較熱的)粒子趕進一個房間,把低能(較冷的)粒子趕進另一個房間。這是第二定律的一種變通方法嗎?

《大英百科全書》接著說:「在1950年左右,法國物理學家萊昂·布裡淵通過證明,在選擇快分子和慢分子時,熵的增加將超過惡魔行為導致的熵的減少,從而驅除了惡魔。」換句話說,支付保鏢的間接能源成本以及保鏢必須使用的能源,比您試圖顛覆定律所節省的成本還要多。

這是非常簡單的,但人們當然喜歡爭論這個想法,而加入量子力學和其他相對「新的」領域只會使惡魔變得更複雜。

馬克斯·普朗克光科學研究所的研究人員關注的是在量子系統中所做的工作能產生什麼樣的能量。他們說:「為了獲得最佳性能,我們不允許魔鬼完全直接訪問自旋狀態和蘭道爾的擦除動作,而是把這個魔鬼的行為限制在指針測量上。」

在他們的實驗模型中,他們將一個量子比特(量子行為的一個微小基本單位)放在一個能量源旁邊,並用一個指針顯示量子比特的感受。使用這個裝置和指針來測量系統的狀態,就產生了一個有爭議的量子力學問題:測量的能量是算作功還是僅僅算作量子加熱現象?

這個「較小的麥克斯韋妖」模型發現,一個宏觀(大)指針花費了足夠大的能量,它確實算作功,而一個微觀(小,甚至以顯微鏡的標準)指針卻沒有。

科學家說,不同指針大小的結果讓她吃驚,她希望同一模型可以用於不同的量子系統,以揭示其他量子優勢。所以,也許真正驅除麥克斯韋妖的秘訣是從改變參數開始。

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