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话题

量子力学

量子力学

信息转化为能源

19 Nov 2010
麦克斯韦's demon hard at work?

日本的物理学家实验证明,仅通过接收信息而不是能量,就可以使粒子起作用。他们说,他们的演示使用反馈系统控制微小的聚苯乙烯珠的电势,没有违反热力学的第二定律,并且将来可能会导致新型的显微设备。

这项实验是由东京中央大学的Toyabe Shoichi Toyabe及其同事完成的,实际上是James Clerk 麦克斯韦在1871年提出的一项思想实验的实际实现。有一个小聪明的人,后来被称为“Maxwell’s demon”,控制两个隔室之间的百叶窗。通过了解盒子中每个分子的速度,恶魔原则上可以对百叶窗的打开和关闭进行计时,以允许较快的分子在一个隔室中积聚,而较慢的分子在另一隔室中积聚。通过这种方式,恶魔可以在不将能量直接传递到粒子的情况下降低盒子内部的熵,这与热力学第二定律显然是矛盾的。

在对这个难题的众多回应中,ó Szilárd。1929年,他认为恶魔必须在测量粒子速度的过程中消耗能量,并且这种消耗将导致系统净增加’s的熵。实际上,Szilárd制定了能量和信息之间的等价关系, 千吨 ln2(或约0.69  千吨 )既是存储一位二进制信息所需的最少工作量,又是擦除该位后释放的最大工作量,其中 k 是玻尔兹曼’s constant and T 是存储介质的温度。

螺旋楼梯

Toyabe及其同事通过改变电场来观察这种能量信息等效性,以使其代表一种螺旋形楼梯。楼梯上连续台阶之间的电势差为 千吨 ,这意味着放置在磁场中的热波动粒子偶尔会跳一个台阶,但通常会向下跳一个台阶。研究人员所做的是进行干预,以便每当颗粒向上移动时,它们就会在其后方放置等效的屏障,以防止颗粒落入该点之外。重复此过程可以使其逐渐爬上楼梯。

实验包括一个0.3 µm直径的粒子由两个聚苯乙烯珠子组成,该珠子固定在装有水溶液的玻璃盒顶部下方的单个点上。施加的电场的形状迫使粒子沿一个方向旋转,或者换句话说,使粒子落下了势能阶梯。但是,在溶液中分子的缓冲作用下,粒子经常会沿相反的方向稍微旋转,从而使其向上迈进了一步。

通过跟踪粒子’使用摄像机进行运动,然后使用图像分析软件确定粒子何时相对于场旋转,研究人员能够通过反转场来提高其背后的隐喻屏障’的阶段。这样,即使他们没有直接向粒子传递任何能量,它们也可以逐渐提高粒子的电势。

量化突破

近年来,其他小组已经表明,可以对粒子的集合进行重新排列,以减少其熵,而无需直接为其提供能量。最新工作的突破是量化了信息向能源的转化。通过测量颗粒’相对于磁场的旋转角度,Toyabe及其同事发现,他们可以将一位信息的等效值转换为0.28  千吨 ln2的能量,换句话说,他们可以利用四分之一以上的信息’s energy content.

纳米级发生的过程与我们熟悉的过程完全不同,信息就是其中的一部分 哈瑟尔特大学的克里斯蒂安·范登·布鲁克

该研究描述于 自然物理学 ,并在比利时哈瑟尔特大学的Christian Van den Broeck的随附文章中将结果描述为“直接验证信息到能量的转换”但指出转换系数是理想值。正如他解释的那样,它只考虑发生在微观尺度上的物理学,而忽略了宏观设备(包括计算机和人工操作人员)所消耗的大量能量。他将能量增益比作实验融合设施中获得的能量,这与进行实验所需的能量相形见war。“他们有点作弊,”范登布罗克在电话里开玩笑。“您现在不能将其摆在架子上并出售。”

但是,Van den Broeck确实相信,这项工作可能会在未来30或40年内实现实际应用。他指出,随着设备越来越微型化,用于控制它们的信息的能量含量– 千吨 在室温下约等于4 × 10–21 J –将接近操作它们所需要的。“没有人想到用钻头烧水,” he says, “但是原则上在纳米尺度上是可行的。”他推测自然界中发生的分子过程可能已经以某种方式将信息转化为能量。“信息是,纳米级发生的过程与我们所熟悉的过程完全不同,并且信息是该图中的一部分。”

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