第二斧头帮: 物理学家妙手化信息为能量

10/28/2010

物理学家妙手化信息为能量

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物理学家妙手化信息为能量

via 科学松鼠会 by 资讯小分队 on 10/27/10

物理学家最近又干了一件不可思议的事情，就是以信息作为能量来驱动纳米机器。

东京中央大学的 Shoichi Toyabe 成功制造了一个以信息作为能量来源的纳米机器：把一个直径287纳米的聚苯乙烯小球包裹上链霉亲和素，放在一个经过严格化学处理的腔体中，用电场制造一个阶梯让这个小球来爬。因为不断地被空气分子撞击，这个纳米小球会做布朗运动，时而爬上一层阶梯，时而往下走一层，但因为往上爬电场楼梯增加了电势能，所以往下一层的概率会大一些，如果我们不干扰这个布朗运动，小球最终就会掉至最低一层。在他们的实验里，一个摄像机会记录下小球的位置，一旦小球往上爬一层之后，这个信息通过反馈控制的方法，会改变电场的分布，在小球爬上的那个阶梯上加一个壁垒，让小球不能再回到刚才低些的一层了。这样小球就会一直往上走，一个纳米级别的"信息热引擎"就这样成型了。这是齐拉德型麦克斯韦妖模型（Szilard-type Maxwell'sdemon）第一次在试验中实现。

麦克斯韦妖和热力学第二定律

梦回热力学和电动力学飞速发展的黄金年代——19世纪。1850年，德国物理学家克劳修斯完整地阐述了热学第二定律，简言之就是热能不能自发的从低温物体传导至高温物体。英国物理学家开尔文的表述则直接击碎了很多民科的梦想："第二类永动机不可能实现"（第二类永动机指使用一种装置从海洋、大气乃至宇宙中吸取热能，并将这些热能作为驱动永动机转动和功输出的源头，摘自wikipedia）。时间又过了几年，在电磁学中已经大展身手的麦克斯韦步入了中年，兴趣转向了统计力学，建立了粒子运动的麦克斯韦-波尔兹曼分布理论，副产品之一就是那个著名的思想实验："麦克斯韦妖"。实验的大概内容是说，"一个绝热容器被分成相等的两格，中间是由一种机制控制的一扇小'门'，容器中的空气分子作无规则热运动时会向门上撞击，'门'可以选择性的将速度较快的分子放入一格，而较慢的分子放入另一格，这样，其中的一格就会比另外一格温度高，可以利用此温差，驱动热机做功"（摘自wikipedia）。于是在这个思想实验中，一个看上去违反热力学第二定律的第二类永动机就这么制成了。而且因为中间那扇门的机制实在太过神奇，开尔文戏称控制那扇门的一定是"妖怪"，慑于开尔文男爵的大名，物理学界至今也沿用了这么一个不太雅观的称呼（妖的英文是Demon，即是"恶魔"）。实际上"麦克斯韦妖"这个思想实验并没有违反热力学第二定律，因为测算分子运动速度这个信息是需要能量的，正如Shoichi Toyabe 教授的纳米机器实验中记录小球位置的摄像机和调整电场阶梯是需要能量一样。

回到这个纳米机器实验，如文中所述，Shoichi Toyabe 教授的实验的给人们提供了无尽想象。用Shoichi Toyabe 教授的话来说，当我们没法直接驱动纳米级别的热机时候，可以通过这种信息为媒介的能量转化往纳米机器中传送能量。这么说吧，因为这个小球能爬梯子完全是由"他自己的位置"这个信息所决定的，我们并没有直接往这个纳米级热机的小球上加任何外界驱动力，需要的仅仅是一个感应系统，于是在感应系统上消耗的这些能量的一部分，通过信息为媒介转化到了小球上。

不过这种技术目前由于摄像和反馈系统较大，还不能够很好地应用。如果能找到小型化的更方便的探测环境并传感驱动的方法，就能更好地应用这种信息驱动的纳米机器了。