物理学家创造出首个光子麦克斯韦妖

物理学家证明，对两束光的测量可以用来制造光束之间的能量不平衡，就像麦克斯韦妖的作用一样。

光子麦克斯韦妖的实验装置：麦克斯韦妖的测量是通过高透光率分束器及高灵敏度的雪崩光电二极管实现的。两个光电二极管是提取能量的装置，利用“小妖”造成的能量脉冲中的不平衡来给电容充电。

图片来源：Vidrighin, et al. ?2016 American Physical Society

“麦克斯韦妖”是一个假想中的小妖精，有了它，看似就可以违反热力学第二定律。在麦克斯韦在1867年首次提出之后，一直被广泛地研究。但这些研究大多数都是理论性的，只有极少数实验真正实现了麦克斯韦妖。

在一篇新的研究论文里，物理学家报告称他们首次通过光子学实现了麦克斯韦妖。他们证明，对两束光的测量可以用来制造光束之间的能量不平衡，利用这样的能量不平衡，就可以把能量提取出来了。这个实验中一个有趣的地方是，提取出的能量可以用来给电池充电，成为“小妖”活动的直接证据。

物理学家 Mihai D. Vidrighin等人在牛津大学实施了这个实验，实验结果发表在最近的《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。

“我们的工作展示了如何利用光子学探索能量和信息的关系，”论文的联合作者、来自牛津大学和伦敦数学科学研究所的Oscar Dahlsten说。

麦克斯韦最初提出这个思想实验时，是设想一个小妖站在充满气体粒子的两个箱子之间。开始，两个箱子的中气体分子的平均能量（或速度）是相等的。但箱子之间的壁上有个小门，而这个小妖可以测量每个飞向小门的气体粒子的速度。小妖可以控制小门，只允许高能量的粒子向一侧通过，而低能量的粒子向另一侧通过。随着时间的累积，一个箱子的能量就比另一个箱子的能量更高，形成压强差，压强差产生的力就可以用来做功。这样看来，似乎小妖可以通过这个过程做功，即使系统最初是处于热平衡的，这违背了热力学第二定律。

但物理学家已经解决了这个矛盾。虽然这个小妖没有直接对系统做功，但它从测量中得到了信息。从小妖的记忆中擦除这些信息需要做功，所以能量在整个的系统并没有净增。

在光子学的麦克斯韦妖实验中，物理学家把装满气体粒子的箱子换成了光脉冲。他们用光电探测器及前馈操作来实现小妖的功能：光电探测器可以测量每个脉冲所包含的光子数；前馈操作则可以像小妖控制小门一样，让较亮（包含更多光子）的光束通过一个方向，较暗的光束（包含更少光子）通过另一个方向。两个方向的出射光束射在不同的光电二极管上，产生方向相反的电流，通向电容。如果两束出射光的能量相等，电流就会抵消。但经过小妖以后，出射光必然一束较亮，一束较暗，产生电流大小也不等，这样就可以给电容充电。

虽然研究人员的目标不是实现提取功的最优化方案，但某种麦克斯韦妖有朝一日可能会有实际应用。

“通常系统中，除了单纯的热力学过程之外，还会包含其他信息，”Dahlsten解释说，“事物一般不是完全随机的，会有一定程度的可预测性。然后我们就可以利用这些信息，用麦克斯韦妖装置提取功。同样地，我们也可以利用额外的信息来减少功的消耗，比如在制冷系统中。我个人认为，这种技术在将来或许能帮助人类应对能源紧缺的挑战。”

由于光子学的麦克斯韦妖和经典麦克斯韦妖的实现方式有区别，传统的理论模型无法给出提取的功和测量所需的信息之间的联系，所以研究人员提出了新的模型来解释新的实验装置的精妙之处，填补了这一空缺。

研究人员希望新的模型可以促进人们理解信息和热力学的关系，这对理解微观尺度及更小的层次上的热力学来说是必需的。正如科学家解释的那样，当今的技术所处理的体系已经精确到了只包含单个或几个粒子，这自然要求人们对微观系统有更好的理解，就像是19世纪蒸汽机的发明驱使科学家探索宏观热力学一样。

微尺度热力学会有诸多应用，包括帮助我们更加高效地获取能量。它也与量子信息技术结合起来，帮助研究人员从热力学角度探索量子相干。

“因为对量子信息很感兴趣，我们已经开始思考以这个实验为基础，将某些特性（如量子纠缠）引入未来的实验。”Dahlsten说。（作者：莉萨·齐加（Lisa Zyga）翻译：寒冬审校：丁家琦）

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