麦克斯韦恶魔：花了115年的时间才被驯服，如何继续令科学家惊奇

宇宙所下的赌注是押在无序上。例如，想象一下，放一勺染料滴入游泳池中，所有的染料分子都将缓慢扩散到整个水池中。物理学家通过计算染料分子可能排列的方式来量化这种扩散趋势。有一种可能的状态，分子被挤进了游泳池中的某一构件。还有另一个地方，例如，这些分子在泳池的底部成一个整齐的丛集。但是有数十亿个分子以不同的方式分布在整个水中。如果宇宙随机地从所有可能的状态中进行选择，那么您可以打赌，它将最终以众多无序可能性中的一种结束。

以这种方式看，如热力学第二定律所量化的，无可避免的熵或无序上升几乎具有数学上的确定性。但是，物理学家当然一直在努力打破它。
一个人几乎做到了这点。苏格兰物理学家詹姆斯麦克斯韦在1867年设计的一项思想实验使科学家后来苦苦工作了115年。即使找到了解决方案，物理学家仍继续使用“麦克斯韦恶魔”将宇宙定律推向极限。
在思想实验中，麦克斯韦设想通过将一扇小门的墙壁将充满气体的房间分成两个隔间。像所有气体一样，这种气体是由单个颗粒组成的。粒子的平均速度与气体的温度相对应，速度越快、温度越高。但是在任何给定的时间，某些粒子的移动速度将比其它粒子慢。

麦克斯韦建议，如果有一个虚构的微生物（后来被称为恶魔）坐在这扇门口，该怎么办？每次看到一个快速移动的粒子从左侧接近时，它会开门，并使其进入右侧隔室。而且，每当有一个缓慢移动的粒子从右边靠近时，恶魔就会将其放到左边的隔室中。
一段时间后，左侧隔间将充满缓慢而较冷的颗粒，而右侧隔间将变热。这种孤立的系统似乎会变得更有序，因为两个可区分的隔离专区比两个相同的隔离专区具有更多的有序性。麦克斯韦创造了一个似乎无视熵上升的系统，从而无视宇宙定律。麦克斯韦试图证明熵将减小的系统。这是一个悖论。
对于解决麦克斯韦魔鬼问题，有两项最为重要的进展。第一个是由数学家、信息论的奠基人、克劳德·香农，在1948年证明消息的信息内容可以用他所谓的“信息熵”来量化。在19世纪，没人知道信息，香农的观点建立了对麦克斯韦恶魔的现代理解。

第二个是由物理学家罗夫·兰道尔在1961年提出的擦除原理，他指出，任何逻辑上不可逆的计算，例如从内存中擦除信息，都会导致极少量的非零工作量转化为热量散发到环境中，并相应增加了熵。擦除原理在信息和热力学之间提供了诱人的联系。

1982年，美国物理学家查尔斯·本内特将这些拼在一起。他意识到麦克斯韦魔鬼是一台信息处理机器的核心：它需要记录并存储有关单个粒子的信息，以便决定何时打开和关闭门，它将需要定期删除此信息。根据擦除原理，擦除引起的熵增加将更多地补偿由粒子分类引起的熵下降。

然后在21世纪，随着思想实验的解决，真正的实验开始了，最重要的发展是科学家现在可以在实验室中实现麦克斯韦魔鬼。
2007年，科学家们使用光闸来演示麦克斯韦恶魔在行动。

在2010年，设计了一种方法，可以利用恶魔的信息所产生的能量引诱一个“上行的珠子”。

在2016年，科学家将麦克斯韦恶魔的想法应用到了两个不包含气体但包含光的隔室中。牛津大学的物理学家“改变了物质和光的作用，”最终能够为非常小的电池充电。

是否存在使用信息从类似系统中提取有用工作然而要求更低的方法？二月份发表在《物理评论通讯》上的题为“赌博恶魔的热力学”的研究似乎找到了一种方法，该研究工作使恶魔变成了赌徒。

研究团队想知道是否有一种方法可以实现像麦克斯韦恶魔之类的东西，但是没有信息需求。像以前一样设想了一个带门的两室系统。但是在这种情况下，门会自行打开和关闭。有时，粒子会随机将自己分隔为更热和更冷的隔间。恶魔只能监视此过程，并决定何时关闭系统。
从理论上讲，如果恶魔很聪明地知道何时结束实验并将任何温度失衡锁定在适当的位置，这个过程可能会造成很小的温度失衡，因此会成为有用的热机，就像赌桌上的聪明赌徒知道何时该离开赌桌。研究人员解释说：“您可以整晚在赌桌上玩牌，也可以在赢得100块钱时停下来。” 研究人员随后在纳米电子设备中实现了这种赌博恶魔，以证明这是有可能的。

这样的想法在设计更高效的热力系统（如冰箱），甚至开发更高级的计算机芯片（可能已接近兰道尔原理所规定的基本极限）方面很有用。
但是，就目前来看，即使受到最严格的审查，我们的宇宙定律也是安全的。改变的是，我们对宇宙中信息的理解以及对麦克斯韦恶魔的欣赏，首先是一个麻烦的悖论，现在是一个无价的概念，它帮助阐明了物理世界与信息之间的非凡联系。

这个棘手的思想实验已经变成了真正的实验，一个物理学家用来探究信息物理的实验。物理学家花了115年的时间才驯服了麦克斯韦恶魔，但这只恶魔仍然继续令科学家们惊奇不已。
参考：
https://www.quantamagazine.org/how-maxwells-demon-continues-to-startle-scientists-20210422https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.080603https://www.nature.com/news/2010/101114/full/news.2010.606.htmlhttps://physicsworld.com/a/maxwells-demon-tamed/https://www.mdpi.com/1099-4300/19/6/240/htmhttps://physicstoday.scitation.org/doi/full/10.1063/PT.3.2912