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麦克斯韦妖 (查看源代码)

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{{See also|热力学第二定律}}
 
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[[File:Maxwell's_demon.svg.png |right|340px|thumb|麦克斯韦妖假想实验示意图。]]
 
[[File:Maxwell's_demon.svg.png |right|340px|thumb|麦克斯韦妖假想实验示意图。]]
    
'''<font color="#ff8000"> 麦克斯韦妖 Maxwell's demon</font>'''是英国物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦 James Clerk Maxwell于1867年为了说明违反'''<font color="#ff8000"> [[热力学第二定律]] second law of thermodynamics</font>'''的可能性而设想的假想实验。在这个实验当中，一个妖怪控制着两个气体舱之间的一扇小门。当独立的气体分子接近门时，妖怪迅速的打开和关闭门，快速的分子进入其中的一个腔，慢速的分子进入另外一个腔。因为速度更快的分子温度更高，妖怪的动作导致一个腔室升温，另一个腔室降温，从而减少[[熵]]，违反了热力学第二定律。<ref>{{cite book |author=Cargill Gilston Knott |title=Life and Scientific Work of Peter Guthrie Tait |publisher=Cambridge University Press |year=1911 |pages=213–215 |chapter=Quote from undated letter from Maxwell to Tait | chapter-url=https://archive.org/stream/lifescientificwo00knotuoft#page/212/mode/2up}}</ref>这个假想实验引起了关于热力学和[[信息论]]之间关系的争论和理论工作，并一直延续到今天，一些科学家认为理论上的考虑排除了任何以这种方式违反第二定律的实际装置。
 
'''<font color="#ff8000"> 麦克斯韦妖 Maxwell's demon</font>'''是英国物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦 James Clerk Maxwell于1867年为了说明违反'''<font color="#ff8000"> [[热力学第二定律]] second law of thermodynamics</font>'''的可能性而设想的假想实验。在这个实验当中，一个妖怪控制着两个气体舱之间的一扇小门。当独立的气体分子接近门时，妖怪迅速的打开和关闭门，快速的分子进入其中的一个腔，慢速的分子进入另外一个腔。因为速度更快的分子温度更高，妖怪的动作导致一个腔室升温，另一个腔室降温，从而减少[[熵]]，违反了热力学第二定律。<ref>{{cite book |author=Cargill Gilston Knott |title=Life and Scientific Work of Peter Guthrie Tait |publisher=Cambridge University Press |year=1911 |pages=213–215 |chapter=Quote from undated letter from Maxwell to Tait | chapter-url=https://archive.org/stream/lifescientificwo00knotuoft#page/212/mode/2up}}</ref>这个假想实验引起了关于热力学和[[信息论]]之间关系的争论和理论工作，并一直延续到今天，一些科学家认为理论上的考虑排除了任何以这种方式违反第二定律的实际装置。
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== 思想的起源和历史 ==
 
== 思想的起源和历史 ==
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在Maxwell的信件和书中，他将妖怪打开腔室的门描述为一个“有限的存在”。威廉·汤姆森 William Thomson （开尔文勋爵）在1874年的《自然》杂志上第一次用“妖”这个词来形容Maxwell的这一概念，并且表示他打算扩展这个词的含义，而不是恶意曲解。<ref>{{cite journal |author=William Thomson |year=1874 |title=Kinetic theory of the dissipation of energy |journal=[[Nature (journal)|Nature]] |volume=9 |issue=232 |pages=441–444 |doi=10.1038/009441c0 |bibcode=1874Natur...9..441T |doi-access=free }}</ref><ref>{{cite journal |year=1879 |title=The sorting demon Of Maxwell |journal=Nature |volume=20 |issue=501 |pages=126 |bibcode=1879Natur..20Q.126. |doi=10.1038/020126a0 |doi-access=free }}</ref><ref name=Weber>{{cite book |author=Alan S. Weber |year=2000 |title=Nineteenth Century Science: a Selection of Original Texts |publisher=Broadview Press |page=300}}</ref>
 
在Maxwell的信件和书中，他将妖怪打开腔室的门描述为一个“有限的存在”。威廉·汤姆森 William Thomson （开尔文勋爵）在1874年的《自然》杂志上第一次用“妖”这个词来形容Maxwell的这一概念，并且表示他打算扩展这个词的含义，而不是恶意曲解。<ref>{{cite journal |author=William Thomson |year=1874 |title=Kinetic theory of the dissipation of energy |journal=[[Nature (journal)|Nature]] |volume=9 |issue=232 |pages=441–444 |doi=10.1038/009441c0 |bibcode=1874Natur...9..441T |doi-access=free }}</ref><ref>{{cite journal |year=1879 |title=The sorting demon Of Maxwell |journal=Nature |volume=20 |issue=501 |pages=126 |bibcode=1879Natur..20Q.126. |doi=10.1038/020126a0 |doi-access=free }}</ref><ref name=Weber>{{cite book |author=Alan S. Weber |year=2000 |title=Nineteenth Century Science: a Selection of Original Texts |publisher=Broadview Press |page=300}}</ref>
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== 最初的假想实验 ==
 
== 最初的假想实验 ==
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妖必须允许分子在两个方向上通过，以便只产生温度差; 只有比平均速度快的分子从A到B 单向通过才会使B部分产生更高的温度和压力。
 
妖必须允许分子在两个方向上通过，以便只产生温度差; 只有比平均速度快的分子从A到B 单向通过才会使B部分产生更高的温度和压力。
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== 批评与发展 ==
 
== 批评与发展 ==
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约翰·厄曼 John Earman和约翰 诺顿 John d. Norton 认为 Szilárd 和 Landauer 对麦克斯韦妖的解释是从假设热力学第二定律不会被妖侵犯开始的，并且从这个假设中得出妖的进一步属性，包括在擦除信息时消耗能量的必要性等等。因此援引这些派生属性来捍卫第二定律不受妖的影响是循环的。Bennett后来承认 Earman 和 Norton 的论点是正确的，同时坚持 Landauer 原理解释了真实系统不违反热力学第二定律的机制。
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约翰·厄曼 John Earman和约翰 诺顿 John d. Norton 认为 Szilárd 和 Landauer 对麦克斯韦妖的解释是从假设热力学第二定律不会被妖侵犯开始的，并且从这个假设中得出妖的进一步属性，包括在擦除信息时消耗能量的必要性等等。因此援引这些派生属性来捍卫第二定律不受妖的影响是循环的。Bennett后来承认 Earman 和 Norton 的论点是正确的，同时坚持 Landauer 原理解释了真实系统不违反热力学第二定律的机制
      
== 近来的发展 ==
 
== 近来的发展 ==
    
虽然 Landauer 和 Bennett 的论证只是回答了热力学第二定律和整个 Szilard 引擎系统的循环过程之间的一致性(引擎和妖的组合系统) ，但是最近一个基于非平衡态热力学的方法为小型波动系统提供了对每个子系统的信息处理的更深入的了解。从这个观点出发，将测量过程看作是引擎与妖之间相关性(互信息)增加的过程，而反馈过程看作是相关性减少的过程。如果相关性发生变化，则应修改作为热力学第二定律的热力学关系和每个子系统的波动定理，对于外部控制，则满足第二定律，如不等式和具有互信息的广义波动定理。这些关系表明，我们需要额外的热力学成本来增加相关性(测量案例) ，相比之下，我们可以明显地违反第二定律，直到消耗相关性(反馈案例)。对于包括生物信息处理在内的更一般的信息处理过程，互信息的不平等和平等都成立。
 
虽然 Landauer 和 Bennett 的论证只是回答了热力学第二定律和整个 Szilard 引擎系统的循环过程之间的一致性(引擎和妖的组合系统) ，但是最近一个基于非平衡态热力学的方法为小型波动系统提供了对每个子系统的信息处理的更深入的了解。从这个观点出发，将测量过程看作是引擎与妖之间相关性(互信息)增加的过程，而反馈过程看作是相关性减少的过程。如果相关性发生变化，则应修改作为热力学第二定律的热力学关系和每个子系统的波动定理，对于外部控制，则满足第二定律，如不等式和具有互信息的广义波动定理。这些关系表明，我们需要额外的热力学成本来增加相关性(测量案例) ，相比之下，我们可以明显地违反第二定律，直到消耗相关性(反馈案例)。对于包括生物信息处理在内的更一般的信息处理过程，互信息的不平等和平等都成立。
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== 应用 ==
 
== 应用 ==
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2014年，佩科拉 Pekola 等人展示了 Szilárd 引擎实验的实现。仅仅一年之后，同一个研究小组根据早先的理论提议，第一次实验性地实现了自主的麦克斯韦妖，它从一个系统中提取微观信息，并通过反馈减少系统的熵。这个妖是基于集成在同一电路上的两个电容耦合的单电子器件。妖的运行直接表现为系统中的温度下降，同时由于产生互信息的热力学成本而引起的妖中的温度上升。2016年，Pekola 等人证明了单电子耦合电路中存在自主妖的原理，展示了一种以信息为燃料冷却电路中关键元件的方法。Pekola等人还提出，一个简单的量子比特电路，例如由超导电路构成的电路，可以为研究量子Szilárd引擎提供基础。
 
2014年，佩科拉 Pekola 等人展示了 Szilárd 引擎实验的实现。仅仅一年之后，同一个研究小组根据早先的理论提议，第一次实验性地实现了自主的麦克斯韦妖，它从一个系统中提取微观信息，并通过反馈减少系统的熵。这个妖是基于集成在同一电路上的两个电容耦合的单电子器件。妖的运行直接表现为系统中的温度下降，同时由于产生互信息的热力学成本而引起的妖中的温度上升。2016年，Pekola 等人证明了单电子耦合电路中存在自主妖的原理，展示了一种以信息为燃料冷却电路中关键元件的方法。Pekola等人还提出，一个简单的量子比特电路，例如由超导电路构成的电路，可以为研究量子Szilárd引擎提供基础。
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== 作为一种隐喻 ==
 
== 作为一种隐喻 ==
第71行： 第74行：     
亨利·布鲁克斯·亚当斯 Henry Brooks Adams在他的手稿《应用于历史的阶段规则 》中试图用麦克斯韦妖作为历史隐喻，尽管他误解和误用了其原本的含义。Adams将历史解释为一个走向“均衡”的过程，但他认为军国主义国家(他认为德国在这一阶层中处于领先地位)倾向于扭转这一过程，这是历史的麦克斯韦妖。Adams曾多次尝试回应他的科学同事对他的公式的批评，但在1918年Adams去世时，这项工作仍未完成。这本书是死后才出版的。
 
亨利·布鲁克斯·亚当斯 Henry Brooks Adams在他的手稿《应用于历史的阶段规则 》中试图用麦克斯韦妖作为历史隐喻，尽管他误解和误用了其原本的含义。Adams将历史解释为一个走向“均衡”的过程，但他认为军国主义国家(他认为德国在这一阶层中处于领先地位)倾向于扭转这一过程，这是历史的麦克斯韦妖。Adams曾多次尝试回应他的科学同事对他的公式的批评，但在1918年Adams去世时，这项工作仍未完成。这本书是死后才出版的。
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== 编者推荐==
 
== 编者推荐==
第81行： 第85行：  
====[https://swarma.org/?p=27045 前沿速递：麦克斯韦妖的新涨落定理]====
 
====[https://swarma.org/?p=27045 前沿速递：麦克斯韦妖的新涨落定理]====
 
由于研究人员对纳米尺度和介观尺度系统控制的兴趣，有一些研究通过改进麦克斯韦妖（Maxwell’s demon）的概念来关注开放系统中能量耗散的极限。在最近发表在 Science Advances 的一篇文章中，为了揭示麦克斯韦妖控制的系统背后的基本物理原理，研究人员证明了一组以前未探索过的涨落定理。这些涨落定理意味着系统存在一个内在的非平衡状态，受麦克斯韦妖引起的耗散信息影响。
 
由于研究人员对纳米尺度和介观尺度系统控制的兴趣，有一些研究通过改进麦克斯韦妖（Maxwell’s demon）的概念来关注开放系统中能量耗散的极限。在最近发表在 Science Advances 的一篇文章中，为了揭示麦克斯韦妖控制的系统背后的基本物理原理，研究人员证明了一组以前未探索过的涨落定理。这些涨落定理意味着系统存在一个内在的非平衡状态，受麦克斯韦妖引起的耗散信息影响。
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====[https://swarma.org/?p=20958 从麦克斯韦妖到量子生物学，生命物质中是否潜藏着新物理学？]====
 
====[https://swarma.org/?p=20958 从麦克斯韦妖到量子生物学，生命物质中是否潜藏着新物理学？]====
 
直到著名的麦克斯韦妖（Maxwell’s demon）出现之前，信息和物理之间的联系一直不甚明确。而如今，信息正在成为连接物理学和生物学的一个关键概念。许多物理学家主张将信息放在物理学的核心位置，而另一些物理学家则猜测：新物理学潜藏在生物体的世界中。生物学正在成为物理学的下一个伟大前沿。
 
直到著名的麦克斯韦妖（Maxwell’s demon）出现之前，信息和物理之间的联系一直不甚明确。而如今，信息正在成为连接物理学和生物学的一个关键概念。许多物理学家主张将信息放在物理学的核心位置，而另一些物理学家则猜测：新物理学潜藏在生物体的世界中。生物学正在成为物理学的下一个伟大前沿。
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唐糖糖
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取自“https://wiki.swarma.org/index.php/特殊:移动版差异/24022”