科学家窥视麦克斯韦妖的内心

物理学家们现在已经探索了麦克斯韦妖的记忆，麦克斯韦妖是一个狡猾的假想野兽。通过窥视实验室版本的生物所保留的信息，科学家证实了信息在拯救热力学第二定律方面发挥的作用，使其免受一个意图造成破坏的微小超能力生物的攻击。

在7月3日在线报道的工作中美国国家科学院院刊，一组研究人员创造了麦克斯韦妖的量子版本在实验室中，测量了存储在其内存中的信息以及从系统中提取的能量。结果直接表明，信息在恶魔提取能量的尝试中起着关键作用。

自 1867 年物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦提出“恶魔”的概念以来，科学家们一直在思考，这种生物是否违反物理学的神圣原则——第二定律。第二定律规定，封闭系统的熵或无序性不会随着时间的推移而减少。

麦克斯韦认为，一个邪恶的微小生物可以在分子之间穿梭，以减少熵——例如，将所有快速移动的分子放在装有气体的盒子的一侧，将较慢的分子放在另一侧。这种不太可能的重新配置会违反第二定律，让恶魔可以非法吸走能量。

一个世纪后，人们找到了解决这一难题的方法：恶魔必须记录有关分子的信息才能操纵它们，而这些信息具有物理意义。将这些信息存储在“大脑”中会增加恶魔的熵，以补偿恶魔产生的熵减少。当恶魔提取能量时，它必须删除其记忆中的内容，以便存储新信息并操纵其他分子。物理学家罗尔夫·兰道尔 (Rolf Landauer) 于 1961 年确定，这种删除会消耗能量并释放熵，结果恶魔的能量收获被抵消。

为了证明恶魔确实记得系统的特性，研究人员探测了恶魔记忆的量子态。

马德里康普顿斯大学的物理学家胡安·帕隆多说：“记忆状态非常重要”，因为它可以证实第二定律仍然成立。“这是第一个真正解决这个问题的实验，”帕隆多说，他没有参与这项研究。

在物理学家本杰明·华德及其同事进行的实验中，恶魔从系统中提取能量，该系统是一个由超导金属制成的微型电路，可以无阻力地传输电流。调整到特定频率的光会导致系统从低能状态跳到高能状态，反之亦然，在此过程中吸收或发射光子或光粒子。恶魔是一个超导腔，微波在其中来回反射，它操纵系统以确保能量可以从系统中消耗，但不会被吸收，从而使恶魔能够捕获释放的能量。

如果系统处于高能状态，恶魔会让系统降到低能状态，在此过程中释放出一个光子，恶魔可以将其转化为能量。但如果系统处于低能状态，恶魔会阻止它吸收光子。最终结果是：电路中的能量被消耗殆尽。但法国里昂高等师范学院的 Huard 表示，“恶魔了解到的有关系统的信息被编码到了它的记忆中。”

研究人员通过一种称为量子断层扫描的过程探测了这种记忆——这意味着他们多次重复实验并记录记忆的状态。结果显示，正如预期的那样，恶魔保留了有关系统处于何种能量状态的信息。

除了读懂恶魔的思想之外，研究人员还以比以往实验更直接的方式测量了从系统中提取的工作。“这是这项实施的一个新特点，”巴西圣保罗圣安德烈 ABC 联邦大学的 Roberto Serra 说。“这项工作是一项非常好的实验。”

与之前的一些实验不同，在 Huard 的方案中，恶魔和系统都在量子层面上运作。虽然热力学规则最初只适用于蒸汽机等大型系统，但科学家们现在希望，了解这些规则如何转化为小规模，有朝一日可以设计出更高效的量子机器（SN：3/19/16，第 18 页）。