@ 2017.07.12 , 11:30
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科学家读取了麦克斯韦妖的记忆

一项先驱工作提供了麦克斯韦妖(又称麦克斯韦精灵)内在运作机制的迷人观点。这是物理学上一个著名的思维实验。

一个包括埃塞克特大学Janet Anders博士在内的国际研究团队利用超导体电路复生了这个精灵。

这一精灵首先由James Clerk Maxwell在1867年提出,是一个假想的存在,相比热力学第二定律允许的量,能从热力学系统中获得更多可用能量。

科学家读取了麦克斯韦妖的记忆
credit: 煎蛋画师Piccolo的儿子Wesley

关键的是,这一团队不仅首次直接观测到了获得的能量,还跟踪了存储在精灵记忆中的信息。

这一研究已发表在国家科学院论文集上(PNAS)。

这个思维实验最初是由历史上最具影响力的科学家之一——数学物理学家James Clerk Maxwell在150多年前首先提出的。

他假设两个相邻箱子中的气体粒子能够被一个操纵微型门的精灵所筛选,使得高能粒子只朝着一个方向移动,低能粒子以相反方向移动。

由此,一个盒子就会得到更高的平均能量,产生压差。这种非均衡情形能被用于获取能量,类似于存储在大坝后面的水被释放时获得的能量。

所以虽然气体最初处于均衡态,但这个精灵能制造非均衡态并提取能量,回避了热力学第二定律。

来自埃塞克特大学的物理系的主导理论物理学家Anders博士补充道:“在1980年代,研究者发现这并非故事的全貌。关于粒子性质的信息仍存储在精灵的记忆之中这些信息会引起能量消耗,这就将精灵的能量增益减少到零,解决了这一悖论。”

在这一研究中,团队创造了一个量子麦克斯韦妖,具现为能从超导量子比特中获取能量的微波腔。这一团队完全建立了这一精灵介入后的记忆地图,揭示了存储的量子比特状态信息。

Anders博士补充道:“这一系统按照量子机制动作这一事实意味着粒子可以同时具备高能和低能两种状态,而不是麦克斯韦考虑的其中一种。”

这一开创性实验只是稍微展现了量子信息和热力学之间的相互作用,是目前纳米尺度热力学过程理论发展的重要一步。

论文原文:DOI: 10.1073/pnas.1704827114

本文译自 phys,由译者 CliffBao 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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TOTAL COMMENTS: 25+1

  1. 3505742

    这篇东西晦涩得Dalek都看还过眼了

    [47] XX [2] 回复 [1]
  2. 3505743

    每个字都认识

    [26] XX [0] 回复 [0]
  3. 功夫猫
    @1 month ago
    3505748

    煎蛋已经开始研究机器翻译么……

    [16] XX [0] 回复 [0]
  4. 3505749

    每个字都看得懂系列

  5. 陆沉者
    @1 month ago
    3505751

    文字都看得懂系列。

  6. 3505753

    讲咩啊……

  7. MontyPython
    @1 month ago
    3505755

    “内在运作机制的迷人观点。”。。。
    。。喵喵喵??

  8. 3505756

    记得煎蛋早年有篇文章解释过麦克斯韦妖能避开热力学第二定律是因为信息本身具有能量,引入信息熵的话,这个封闭系统依旧是熵增的。

    [25] XX [0] 回复 [2]
  9. bowieey
    @1 month ago
    3505757

    我看懂了,哎太复杂就不跟你们解释了

  10. misfit
    @1 month ago
    3505758

    heat death

  11. nanerhebu
    @1 month ago
    3505762

    “团队创造了一个量子麦克斯韦妖,具现为能从超导量子比特中获取能量的微波腔”
    请问什么是“微波腔”呢?

  12. 3505764

    另一种生面团?

  13. 双黄蛋
    @1 month ago
    3505767

    科学的玄学

  14. 逗比
    @1 month ago
    3505772

    封面乍一看以为俄罗斯方块

  15. 3505781

    用白话来说, 麦克斯韦妖就是这么一种装置:
    我们都知道, 夏天外面很热的时候, 房间里也会慢慢变得很热, 不可能说外面越来越热, 房间反而自动变得越来越凉快了.
    唯一让房间变得更凉快的方法是开空调, 以消费电能的代价把上述过程逆转. 这就是热力学第二定律
    但是我们也知道, 热的分子运动快, 冷的分子运动慢
    如果我们用一种特殊的薄膜把房间密封起来, 这种薄膜有个特性, 它只放运动快的分子出去. 你就设想成一个带弹簧的闸门, 慢的分子撞上去力气不够, 撞不开. 快的分子就把阀门撞开出去了.
    这样一来, 冷的分子出不去, 热的分子出去了, 平均温度不就下降了吗? 外面会变得越来越热,
    而房间反而越来越凉快, 这个过程还没有消费能量.

    这显然违反了热力学第二定律, 因此是行不通的, 但是设想又看上去很正确, 因此被称为”妖精”.

    [132] XX [0] 回复 [4]
  16. 电动大牛的
    @1 month ago
    3505784

    看来我是要被exterminated了,博士救我

  17. 有棵树
    @1 month ago
    3505790

    Run, you clever boy!

  18. 光腚总局
    @1 month ago
    3505794

    觉得松鼠会的这篇文章不错“http://songshuhui.net/archives/54957/”读完后才能看明白这篇内容

  19. 拜一刀
    @1 month ago
    3505801

    说起来半透膜需要消耗能量吗?

  20. 3505828

    @lc: 这个机制的关键,是如何确保筛选工作能被正确的执行,而且筛选本身不可能不消耗能量,我觉得这种想法不太可能实现

  21. 艾尼路
    @1 month ago
    3505865

    所以这关戴笠克什么事?

  22. 金子
    @1 month ago
    3505871

    这篇文章告诉我们,实验证明粒子同时具有高能量状态和低能量状态。
    打个比方有一个门,为了将房间里面的脾气暴躁清除出去,这个门只允许当前脾气暴躁的人离开。按理说留下来的都是冷静的人。但事实证明,人同时具有暴躁和冷静两个状态。

    [20] XX [0] 回复 [0]
  23. 3505873

    蛋友还有看神秘博士的 我很欣慰

  24. 3506105

    粒子同时具有高能和低能状态?
    我感觉当年提出麦克斯维妖的人肯定讨厌量子力学…

  25. 树大招风
    @1 month ago
    3506923

    但是,热能不仅仅通过接触传递,还能通过辐射传递,这薄膜只能保证震动快的分子不溜出去,但热能还是会通过辐射的形式转移到外部啊

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