电脑auto是什么意思( 二 )


与我们将遇到的其他两个妖精(麦克斯韦妖与拉普拉斯妖)不同,洛施密特妖可以与现实世界和平相处 。然而,事实证明自旋回波实验是一个特例 。现实世界中,大多数系统都趋向平衡状态,而不是回溯到非平衡状态 。但 洛施密特妖生动地提醒我们,力学的基本定律允许一个系统回溯到原来的状态 。为什么我们在现实世界中没有看到这种可能性的发生?为什么气体不会被压缩到更小的体积?为什么鸡蛋不会从破碎状态恢复,一杯咖啡不会自发升温?
答案在于规律和初始条件的区别 。考虑将石头扔进池塘,其初始条件为石头击中池塘,这解释了为什么我们看到水波向外扩散 。相比之下,我们从来没有看到水波向内汇聚,把石头从池塘深处推出来,因为该过程所需的初始条件是非常难以设置的 。同样地,在涉及气体的系统中,典型的初始条件解释了为什么它们会趋向平衡状态 。但是,确实也存在具备精确相关性的特殊初始条件,可能会导致系统达到反平衡的情况,例如咖啡自发地变热或石头被推出池塘 。换句话说,根据物理学的微观动力学定律,反平衡是可能出现的,但这只有当系统具有非常特殊的初始条件时才有可能 。
2. 麦克斯韦妖与热力学第二定律
到目前为止,物理学中最著名的假想妖精是麦克斯韦在1867年设想的妖精(见图2) 。他设想了在充满气体的盒子里存在一个妖精,它可以观察单个气体分子 。盒子中间有一个隔板,如果这个妖精看到一个快速移动的气体分子,它就打开隔板上的活动门,让快速移动的分子通过,而把慢速移动的分子留在隔板的另一边 。反复这样操作会使隔板两边产生温度差,而热机可以利用这个温差来做功,这与热力学第二定律相矛盾 。
图3. 麦克斯韦妖是一个假想的生物,它可以观察一个充满气体的盒子里的各个分子,盒子中间有一个隔板将A室和B室分开 。如果这个妖精看到一个快速移动的气体分子,它就打开隔板上的活动门,让快速移动的分子进入B室,而把慢速移动的分子留在A室 。麦克斯韦妖反复这样操作将在隔板的两边建立起温度差 。而热机可以利用这个温差来做功,这与热力学第二定律相矛盾 。
麦克斯韦妖和洛施密特妖属于同类问题吗?即麦克斯韦妖是否仅在现实中难以实现,而不是物理上的不可能情况?麦克斯韦认为两者是同类问题 。根据物理哲学家韦恩·米尔沃德(Wayne Myrvold)的说法,麦克斯韦认为,“只是我们目前(也许仅是暂时)无法操纵单个分子......才会阻止我们做这个小妖精能做的事 。”[3]
在150多年前时,操纵单个分子的可能性可能看起来很小,但今天情况已不再如此 。从特制的实验装置到自然界中发现的分子机器,类似麦克斯韦妖的装置比比皆是 。例如,使用棘轮式机构(ratchet-style mechanisms)的生物分子机器[4],类似于理查德·费曼(Richard Feynman)在1962年的一次演讲中所提出的麦克斯韦妖 。
此外,研究人员似乎已经能够在实验中实现麦克斯韦妖 。东京一个由佐野正明(Masaki Sano)领导的小组,在2010年设计了一个麦克斯韦妖式的实验 。通过使用一个倾斜的光学晶格来操纵单个粒子,他们创造了一个“螺旋楼梯” 。平均而言,粒子倾向于“下楼” 。通过使用CCD相机,实验人员实时监测粒子位置的波动 。当粒子“上楼”时,他们改变电压并将其困在较高的位置,就像妖精关闭了活动门一样(见图3) 。通过重复这一过程,他们能够逐渐将粒子向上移动并做功 。
图4. 佐野正明的小组在2010年设计了一个麦克斯韦妖式的实验 。他们使用倾斜的光学晶格来创造“螺旋楼梯”,使粒子倾向于“下楼” 。实验人员实时监测粒子位置的波动,当粒子“上楼”时,他们改变电压并将其困在较高的位置,正如麦克斯韦妖关闭活动门 。| 来源:Adapted from S. Toyabe et al., Nat. Phys. 6, 988, 2010, doi:10.1038/nphys1821.

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