物理学家实现了麦克斯韦妖的思想实验并减少了系统熵

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想必大家都听说过大名鼎鼎的热力学第二定律吧，这可是小编最推崇的一个定律，几乎所有物理过程都要遵从它，小编从出生到现在还没有听说能够违反热力学第二定律的现象存在。

那什么是热力学第二定律呢？简单点说，就是说有个克劳修斯的人认为：不可能把热从低温物体传到高温物体而不引起其他变化，这个说法揭示了热量传递的不可逆性；另一个叫开尔文的说法是：不可能从单一热源吸热使之完全转化为功而不引起其他变化，这个说法揭示了热功交换的不可逆性。

举个栗子，你在开水杯子里加一块冰，很快杯子里水温就会凉下来，但是这个过程却无法逆转，你不可能让你这杯温水还原成一杯热水喝一块冰。这个过程就是系统从有序向无序转化的过程，“熵”就是系统有序度的一个度量，而这个温度的中和过程也是熵增的过程，其实熵增过程也可以微观化为微观粒子随机运动并混合的过程。

这种“熵只能增加而不能减少”的原理，必须遵从一个条件，那就是系统的孤立，若系统非孤立，而是伴随能量的输入，那就会出现熵减的现象。

这个定律提出后，人们提出了很多反对意见，最典型的就是设计了很多“永动机”模型，事实证明，所有“永动机”模型无一例外有外界系统输入能量。

麦克斯韦妖

1870年前后，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦提出了一个思想实验“麦克斯韦妖”，他假设了一个密闭的容器，这个容器分为A和B两个部分，中间用没有摩擦力的隔板隔开，隔板的打开关闭由一个妖魔控制，当高速分子由A向B运动或慢速分子由B向A运动，妖魔就打开隔板，但是当相反情况出现时，妖魔就关上隔板，起初A和B温度都是30度，时间长了，A区就会变成0度，而B区变成100度，这个时候再用这个温差发电，岂不是一个永动机吗？

后来，法国物理学家布里渊发表专著《科学与信息论》，认为妖魔要观察分子运动状态必须借助外界光线，这就必须输入能量，从而导致系统不再孤立。

虽然，麦克斯韦妖被证实是不可能的，但是科学家仍然不遗余力的想当这个“妖”，因为这个妖太牛逼了，可以控制微观粒子，那前途不可限量呀，比如量子计算机领域就需要这个妖的帮助。

你别说，最近宾西法尼亚州立大学的一组研究人员就通过使用激光将随机分布的原子阵列重新排列成整齐排列的原子块，从而执行了“麦克斯韦妖”的功能。

在一个随机填充的5x5x5原子晶格中减少熵。每一行显示格子中5个平面的快照。上面一行显示了原子在125个可能位置的三维阵列中的初始随机分布。第二行表示第一次排序后的原子分布，第三行表示第二次排序后的原子分布，此时目标5x5x2子格完全被填满。这个过程将系统的熵降低了2.4倍。

要知道，有组织的原子块那可是构成量子计算机的基础，因为量子计算机使用非带电粒子对数据进行编码并进行计算。这项研究的论文发表在9月6日的《自然》杂志上。

该小组负责人说，传统的计算机使用晶体管将数据编码成二进制位，可以产生0和1两种状态，而他们设计的量子计算机将使用原子作为“量子位”或“qubits”，这种量子计算机可以根据量子力学现象对数据进行编码，使它们同时处于多种状态，而且当把很多原子组织到一个压缩的3D网格中，可以让计算变得更简单、更高效。

但是如何将随机运动的大量原子有序排列呢？

这个小组的研究人员使用激光捕捉并冷却三维晶格中的原子，这些原子随机分布在5×5×5的立方体中的125个位置上的大约一半的位置，通过调整激光捕集器的偏振，研究人员可以单独或分组移动原子，并重新组织这些随机分布的原子的位置，使其充分填充晶格中的5×5×2或4×4×3子集。

因为原子被冷却到尽可能低的温度，该系统的熵几乎完全由晶格内原子的随机构型决定，所以该实验中对原子的组织竟使系统内的熵降低大约2.4倍。

但从本质上来说，这个实验也就是通过外部激光能量的输入控制了系统内部的有序度，所以最终肯定是遵从热力学第二定律的，但此次试验牛逼的地方就是他们操控的是原子，这确实实现了麦克斯韦的思想实验。

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本文选自：今日头条

雨云儿

小编。。。骗子[抠鼻][抠鼻]

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