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麦克斯韦妖升级版?科学家创造一种“赌博恶魔” 或打破热力学第二定律

Emma Chou

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意大利国际理论物理中心(ICTP)和芬兰阿尔托大学PICO小组的研究人员引入了一种信息恶魔的概念,它遵循一种习惯性的赌博策略,在随机时间停止非平衡过程。他们发现的新恶魔,与著名的麦克斯韦妖不同,论文发表在《物理评论快报》上。

“我们的研究是出于好奇。”研究人员之一Gonzalo Manzano表示,“我们问自己,这些过程的涨落实现了(或打破了)随机过程在热力学和信息之间的联系上的一些强大特性,这些过程的含义是什么?”

最近由Gonzalo Manzano, Edgar Roldan和其同事所做的研究是基于先前在随机水平上研究信息和热力学之间的联系的工作。此外还从最近的研究中获得灵感,这些研究探索了在热力学背景下被称为鞅的独特随机过程家族的性质。

鞅是随机过程的典型例子,它已被应用于各种领域,包括金融和数学。Manzano、Roldan和他们的同事们将鞅的知识应用到热力学的研究中,目的是揭示新的普遍热力学定律。

“我们的论文关注以下问题:当一个人拿非平衡热力学过程中一个小系统的响应的信息冒险时会发生什么?”另一位参与这项研究的研究员Edgar Roldan表示“这可以被表述为一种‘停止’条件,即赌徒退出(例如,当轮盘赌的收入超过或低于给定数额时退出)。”

在新研究中,研究人员引入了“赌博恶魔”的概念。“赌博恶魔”本质上是所谓麦克斯韦妖的新版本,后者是物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦在1867年提出的一个想法和思想实验。在这个思想实验中,麦克斯韦表明,通过使用一个系统的微观动力学信息,有可能颠覆热力学第二定律。热力学第二定律规定,热量总是会从热转移到冷,直到它在一个系统中均匀地扩散。几十年来,这个明显的悖论一直是一个活跃的研究领域,根据朗道尔的原理(1961年首次提出),通过考虑恶魔产生的信息的物理性质,这一问题得以解决。 

Manzano说:“在麦克斯韦的原始版本中,一个小型智能生物(即恶魔)能够通过在微观层面上观察和操纵热力学系统,来挑战热力学第二定律。即使这个悖论是显而易见的,麦克斯韦妖在今天仍然引起了人们极大的兴趣,因为它允许以信息的形式产生熵为代价来提取工作。在新版本中,我们通过剥夺恶魔的一些能力来将其推向极限。”

在新论文中,研究人员考虑了一种可能性,即他们理论中的“赌博恶魔”仍然可以观察一个系统的微观动态,但不能随意操纵它。恶魔不能操纵系统,只能在它认为正确的任何时候决定停止热力学过程。 

Manzano说:“人们可能会认为,这个不那么强大的恶魔不可能违背第二定律,就像麦克斯韦最初的设定一样,因为人们可能会天真地认为这个恶魔不可能很好地利用有关系统微观动力学的信息。”“然而,我们已经看到,不是这样的,但是恶魔需要(1)一个好的策略有效地决定何时停止;(2) 所考虑的系统动力学需要是非平稳的(或者更严格地说,需要打破时间反转对称),因此,一些投资的工作是必要的。”

研究人员利用随机和量子热力学探索了赌博恶魔的概念。更具体地说,他们导出了一个通用涨落定理,该定理与应用停止策略时相关热力学量的行为有关。这使他们能够探索这些停止策略的局限性。随后,研究人员在一系列实验中验证了他们的预测。

研究所描述的“赌博恶魔”的思想和普遍的非平衡关系可以应用于许多研究领域。在它们所应用的特定环境中,恶魔可以根据策略停止系统的动态。然而,这种关系也可以应用于当满足特定条件时动力学自然停止的系统,例如生物系统。

在未来,Manzano等人提出的新的基于赌博的方法可以用来提高微观热机和发动机的效率。在接下来的研究中,研究人员计划从量子物理学的角度分析他们收集到的结果。他们的工作可能为开发基于赌博的研究和技术开发策略铺平道路,这些策略的效果优于更传统的方法。

译/前瞻经济学人APP资讯组

参考资料:

https://phys.org/news/2021-03-demon-profits-gambling-strategies.html

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.080603


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