前沿科技之信息轉(zhuǎn)化為能量

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日本研究人員在11月15日出版的《自然·物理學(xué)》網(wǎng)絡(luò)版上報(bào)告稱(chēng)，他們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中讓一個(gè)納米小球沿電場(chǎng)制造的“階梯”向上爬動(dòng)，爬動(dòng)所需的能量由 該粒子在任何給定時(shí)間朝哪個(gè)方向運(yùn)動(dòng)這一信息轉(zhuǎn)化而來(lái)，這意味著科學(xué)家首次在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了信息到能量的轉(zhuǎn)化，驗(yàn)證了約150年前英國(guó)物理學(xué)家詹姆斯·克拉 克·麥克斯韋提出的“麥克斯韋妖”這一設(shè)想。
日本中央大學(xué)理工學(xué)部的鳥(niǎo)谷部祥一和東京大學(xué)的佐野雅樹(shù)領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室讓一個(gè)直徑為287納米的聚苯乙烯小球沿電場(chǎng)制造的微小旋轉(zhuǎn)階梯向上爬 動(dòng)，并將小球拍照。小球可以隨機(jī)朝任何方向運(yùn)動(dòng)，由于向上爬會(huì)增加勢(shì)能，因此其往下一層的概率更大，如果不人為干擾，小球最終會(huì)掉至最底層。在實(shí)驗(yàn)中，當(dāng) 小球沿階梯向上爬一層后，研究人員就使用電場(chǎng)在小球爬上的那層階梯加一面“墻”，讓小球無(wú)法回到低的那一層，這樣小球就能一直向上爬。
該小球能爬階梯完全由“自己的位置”這一信息所決定，研究人員無(wú)需施加任何外力（比如注入新能量等），僅需一個(gè)感應(yīng)系統(tǒng)（比如攝像機(jī)）。另外，他們也能精確地測(cè)量出有多少能量由信息轉(zhuǎn)化而來(lái)。
$ v% U9 Y6 b' N, ]4 r5 e這是“麥克斯韋妖”第一次在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)。1871年，麥克斯韋提出了“麥克斯韋妖”設(shè)想：一個(gè)絕熱容器被分成相等的兩格，中間是由一種機(jī)制控制的一 扇活板門(mén)，容器中的空氣分子做無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)撞擊門(mén)，門(mén)則可以選擇性地將速度較快的分子（溫度較高）放入其中一格，將速度較慢的分子（溫度較低）放入另 一格，這樣，兩格的溫度就會(huì)一高一低。麥克斯韋認(rèn)為，整個(gè)過(guò)程中使用的能量就是“分子是熱的還是冷的”這一信息。
5 [# {2 L4 G$ j2 q0 k/ h; S“麥克斯韋妖”似乎違背了熱力學(xué)第二定律，換句話說(shuō)，這一過(guò)程不能毫無(wú)能量損耗地分離熱分子和冷分子。后來(lái)，匈牙利物理學(xué)家馮·勞厄指出，該過(guò)程沒(méi) 有違背物理學(xué)法則，因?yàn)椤胞溈怂鬼f妖”實(shí)際上必須消耗能量來(lái)確定哪個(gè)分子是熱的、哪個(gè)分子是冷的。而在本次實(shí)驗(yàn)中，損耗的能量是攝像機(jī)的能量通過(guò)信息這一 媒介轉(zhuǎn)換而來(lái)。
他們認(rèn)為這完全是一種新機(jī)制，并稱(chēng)之為“信息—熱機(jī)制”，這意味著，即使不直接同納米機(jī)器接觸，也能夠使用信息作為媒介來(lái)轉(zhuǎn)化能量。
沒(méi)有參與該研究的比利時(shí)哈塞爾特大學(xué)的克里斯蒂安·凡登布魯克指出，新實(shí)驗(yàn)直接證明了信息可以轉(zhuǎn)化為能量，盡管如此，新技術(shù)仍無(wú)法解決人類(lèi)目前面臨 的能源危機(jī)。他表示：“在將信息轉(zhuǎn)化為能量時(shí)，真正的能源成本掩藏于外部（包括實(shí)驗(yàn)的操作者），因此，該實(shí)驗(yàn)就如同人們?cè)噲D使用原子核聚變來(lái)產(chǎn)生能量，其 實(shí)核反應(yīng)本身耗費(fèi)的能源可能更多。”
1 P. R6 j/ P; y) z0 n研究人員自己也表示，實(shí)驗(yàn)中的攝像機(jī)很笨重，現(xiàn)在的當(dāng)務(wù)之急是找到可自動(dòng)檢測(cè)環(huán)境的顯微技術(shù)，并將采集到的信息轉(zhuǎn)化為能量。
- \; z# v$ T/ T+ U3 y0 ^2 W總編輯圈點(diǎn)
在“信息轉(zhuǎn)化成能量”的機(jī)理和機(jī)制未被進(jìn)一步闡釋之前，該納米級(jí)別的“信息—熱機(jī)制”看上去仍像一臺(tái)現(xiàn)代版的永動(dòng)機(jī)。19世紀(jì)熱力學(xué)三大定律相繼提 出，不僅為熱力學(xué)奠定了基本完備的基礎(chǔ)，同時(shí)也使能量守恒和轉(zhuǎn)化定律得到了近乎完美的體現(xiàn)。然而兩百年來(lái)，總是不斷有人絞盡腦汁試圖實(shí)現(xiàn)那個(gè)天方夜譚式的 神話。雖然我們相信任何一種真理都有其局限，但當(dāng)麥?zhǔn)稀把F”作為一個(gè)“原子尺度的理智存在物”又重來(lái)時(shí)，我們首先想到的還是孫大圣和他的千鈞棒。