“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。”