@ 2010.11.16 , 15:11
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“魔鬼装置”使信息转化为能量

# 本文由 druiber 投递&翻译,via Nature

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物理学定律说,能量不能凭空产生,更遗憾的是,从一个系统中获取的能量永远都会少于输入这个系统中的能量。但一个纳米实验,灵感来源于十九世纪,貌似打破这些定律,显示能量可以由信息转化而来。

东京大学的物理学家正樹佐野(Masaki Sano)和他的同事,演示了纳米颗粒可以被诱导攀登“螺旋楼梯”,无需直接输入任何能量就能将它推向前。只需要通过一系列精准的时间控制,改变“楼梯台阶”的高度,就可以使它沿着路走。这就意味着信息转化成了能量。

该试验设计灵感来源于十九世纪的一个假想实验(thought experiment)。当时苏格兰物理学家麦斯威尔(James Clerk Maxwell提出信息可以转化为能量。在这个假想实验中,有一个魔鬼守着一扇门,门连接了两个屋子,每个屋子都充满了气体分子。这个魔鬼只允许快速运动的气体分子从左边进到右边,只允许慢速运动的气体分子从右边进到左边。

结果,右边的屋子因为粒子运动平均速度升高,变得更暖和,左边屋子更冷。于是这个魔鬼造成了温度差异,并不需要给气体分子输入任何能量,只需要知道知道它们的速度。这看上去打破了热力学第二定律。

为了制造现实中的魔鬼实验,佐野和他的同事做出一个狭长的纳米级聚苯乙烯粒子,它可以顺时针或逆时针旋转,它们将这个粒子放入缓冲溶液中,然后在这个粒子周围加一个变化的电场,使它越来越难以逆时针旋转360度。这就制造出了“旋转楼梯”,在逆时针方向上“攀登”困难,在顺时针方向上“掉落”更容易。放任不管的话,这个粒子被周围的分子随机碰撞,有时获得足够的能量逆时针旋转-或者说“上台阶”-但更多时候是在顺时针旋转-也就是“下台阶”。这时,佐野版本的麦斯威尔魔鬼来了。

他们观察粒子的位移,当它随机地逆时针旋转时,他们迅速调整电场,就像是麦斯威尔魔鬼对气体分子开嘞个门,使它不容易顺时针转回去。这个粒子就以此被诱导着持续“爬楼梯”,无需被直接输入任何能量。

该实验事实上并没有违反热力学第二定律,因为这个系统整体来看,器材和实验者都会消耗能量——用来监控粒子和控制电场。但它确实显示了信息可以作为转化为能量的媒介。这个粒子就相当于一个微型转子一样被驱动,它的信息--能量转化效率为28%

牛津大学的量子物理学家 Vlatko Vedral 说他感兴趣的是这个技术能否应用于驱动纳米机械和人造分子机器,“我也很希望了解自然界中是否已经存在着类似这个的东西”,他说,“说到底,所有的活物都是‘麦斯威尔魔鬼’企图阻止由有序变回无序的趋势。”


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TOTAL COMMENTS: 41+1

  1. druiber
    @7 years ago
    648412

    煎蛋的首个沙发,自己的投递耶

  2. 抹茶
    @7 years ago
    648416

    完全看不懂啊啊啊啊啊!

  3. ilyxiaobai
    @7 years ago
    648420

    这么多字 完全没兴趣看啊 真是无厘头。。。

  4. 648433

    我想知道 , 我在骂别人 S B 的时候, 里面蕴含了多大的能量 。
    那全国人民 是不是 给了中国足球很多力 ?

    [43] XX [0] 回复 [0]
  5. 阿甘
    @7 years ago
    648435

    字多 星

  6. 迷路佑
    @7 years ago
    648436

    文盲表示只看懂了魔鬼那里。。- –

  7. 小浮
    @7 years ago
    648439

    似乎看不懂啊

  8. 午夜
    @7 years ago
    648454

    周星星就是利用此原理把柱子给骂弯的。。最好都整的海啸了。
    可见骂人的信息量是很大滴

    [11] XX [0] 回复 [0]
  9. lybcoldwave
    @7 years ago
    648456

    这么说来,永动机是可以实现的啦

  10. 648459

    毛用没有····

  11. 炒饼男
    @7 years ago
    648461

    没有违反

  12. zoy&moo
    @7 years ago
    648462

    我读到这文章后,脑袋消耗了不少能量
    我也想知道~
    能不能把这些信息转化成能量直接 送入大脑,
    呃~ 不消耗大脑的获取信息的方法~ 不错 不错~

  13. squallx
    @7 years ago
    648463

    麦克斯韦=Maxwell=麦斯威尔 囧

    标题党内容 坚定完毕。。。。。

  14. sanders
    @7 years ago
    648510

    看不懂 难道是在意淫

  15. 伫立的犬鼠
    @7 years ago
    648520

    麦克斯韦妖啊麦克斯韦妖……

  16. 双子
    @7 years ago
    648536

    可能对魔鬼比较有兴趣

  17. ivanchaos
    @7 years ago
    648549

    Knowledge is power

  18. liansh
    @7 years ago
    648574

    凉宫春日团长?

  19. 晓月
    @7 years ago
    648624

    这是魔晄能源的原理么

  20. 648736

    麦斯威尔魔鬼 = 麦克斯韦妖 啊……

    翻译得太不专业了……

  21. 玖城
    @7 years ago
    648755

    关于麦克斯韦妖精违背热力学定律的解释不就是那个妖精在“识别”粒子和“组织/允许”某种粒子通过的时候都需要消耗能量,而这种能量要么由粒子提供输出,要么由妖精来消耗么

  22. 648771

    能量来自电场吧,麦克斯韦妖也是做功的

  23. 锋了
    @7 years ago
    648784

    调节电场也需要能量嘛,这实验只是说明了信息是能量的一种载体吧,或者说是能量的一种形式….

  24. 凹凸
    @7 years ago
    648795

    信息转化成能量,就是说多想想就有能量产生了咯。难道每个人都是异能者

  25. 648818

    调教粒子?

  26. bayman
    @7 years ago
    648855

    “改变“楼梯台阶”的高度”就是输入能量了吧…

  27. Kid.Fish
    @7 years ago
    648870

    直接想到夏笳的成名作《关妖精的瓶子》了

  28. AFcoder
    @7 years ago
    648881

    意思就是强迫能量转换的方向啦,会导致温度持续降低的,不过倒是解决了温室效应的问题,哈哈。

  29. 曲陌
    @7 years ago
    648882

    我第一个想到的也是夏茄的 关妖精的瓶子。 很难得的小巧但精致有趣的短篇,当时相当看好她啊

  30. Gar...gar...garth
    @7 years ago
    649012

    大学课本管那厮叫麦克斯维精灵。

  31. 649026

    改变楼梯高度不需要能量来操控吗?

  32. ymxjxfs
    @7 years ago
    649041

    鼓逑鼓逑又给宇宙弄炸了

  33. ymxjxfs
    @7 years ago
    649042

    我觉得所有研究这些东西的文明最终都变成了黑洞

  34. 649051

    永动个M,这里有提到不消耗能量么

  35. 649064

    费力看完第一段之后,大脑就自动将后面的信息全部屏蔽了……

  36. 649065

    完全为了理论…

  37. 649082

    这个应该这样理解。这个实验实际上可以说是一个利用反馈信息控制粒子行为的一个过程。“信息”应该指的是对粒子在特定位置时的一个量取(measurement)。利用这个量取所告诉我们的粒子的信息,再做出对应的行为。在这里,只要发现粒子要逆时针转了(信息),就调整电场,使它顺时针转。

    热力学里,在理想状态下,这个用来阻碍粒子运动而给予粒子的能量,是忽略不计的。在这里就好比如,粒子是一个自由跑来跑去的小孩,然后我们想让他往前跑而不回头,就每当他回头时,就放一堵墙。对小孩来说,墙并没有给他什么能量,只是他发现后面不能跑了,再自由地往前跑罢了。

    所以,实验的意义在于。粒子在没有直接被灌输能量的情况下,由于我们知道它在哪里的信息(我们知道在哪里该放一堵墙),粒子获得了自由能。所以可以说,”信息“转化成了能量(即是我们对它位置的了解,就是它能量的来源)。所谓”信息“转化”能量“,也是从不违反热力学第二原理的角度来解释实验的。

    我想该实验的价值应该只大概适用在于生物大分子,实验适用生物大分子的质量还有着限制,当它小于某个值的时候,该粒子的信息将遵从不确定原则而不可控,而所谓信息转能量的过程就不能发生了。换言之,这不是普适的。

    [10] XX [0] 回复 [0]
  38. 阿斑
    @7 years ago
    649134

    看不懂啊看不懂……

  39. valenr
    @7 years ago
    649197

    “结果,右边的屋子因为粒子运动平均速度升高,变得更暖和,左边屋子更冷。于是这个魔鬼造成了温度差异,并不需要给气体分子输入任何能量,只需要知道知道它们的速度。这看上去打破了热力学第二定律。”

    ——随后在相关反驳中就指出该假说的错误。
    由于该魔鬼需要“知道”他们的速度,而“知道”的过程就是同粒子的相互作用,因而就是给气体分子“输入”了能量,因而不能说没有给气体分子输入任何能量,本试验也并不违反第二定律。

  40. 为图灵报仇
    @1 year ago
    3189059

    这 叫 佐野雅己

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