前沿科技之信息轉化為能量

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日本研究人員在11月15日出版的《自然·物理學》網絡版上報告稱，他們在實驗室中讓一個納米小球沿電場制造的“階梯”向上爬動，爬動所需的能量由 該粒子在任何給定時間朝哪個方向運動這一信息轉化而來，這意味著科學家首次在實驗室實現了信息到能量的轉化，驗證了約150年前英國物理學家詹姆斯·克拉 克·麥克斯韋提出的“麥克斯韋妖”這一設想。
+ R) s& m& K3 W. W4 \" m6 I- |5 W日本中央大學理工學部的鳥谷部祥一和東京大學的佐野雅樹領導的團隊在實驗室讓一個直徑為287納米的聚苯乙烯小球沿電場制造的微小旋轉階梯向上爬 動，并將小球拍照。小球可以隨機朝任何方向運動，由于向上爬會增加勢能，因此其往下一層的概率更大，如果不人為干擾，小球最終會掉至最底層。在實驗中，當 小球沿階梯向上爬一層后，研究人員就使用電場在小球爬上的那層階梯加一面“墻”，讓小球無法回到低的那一層，這樣小球就能一直向上爬。
& y7 D8 o% ~+ m/ d/ j. D; _該小球能爬階梯完全由“自己的位置”這一信息所決定，研究人員無需施加任何外力（比如注入新能量等），僅需一個感應系統（比如攝像機）。另外，他們也能精確地測量出有多少能量由信息轉化而來。
4 a. h8 H% i4 s這是“麥克斯韋妖”第一次在實驗中實現。1871年，麥克斯韋提出了“麥克斯韋妖”設想：一個絕熱容器被分成相等的兩格，中間是由一種機制控制的一 扇活板門，容器中的空氣分子做無規則熱運動時會撞擊門，門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，兩格的溫度就會一高一低。麥克斯韋認為，整個過程中使用的能量就是“分子是熱的還是冷的”這一信息。
7 G% S5 v1 L& y3 v7 T“麥克斯韋妖”似乎違背了熱力學第二定律，換句話說，這一過程不能毫無能量損耗地分離熱分子和冷分子。后來，匈牙利物理學家馮·勞厄指出，該過程沒 有違背物理學法則，因為“麥克斯韋妖”實際上必須消耗能量來確定哪個分子是熱的、哪個分子是冷的。而在本次實驗中，損耗的能量是攝像機的能量通過信息這一 媒介轉換而來。
1 D; F' u4 K- v5 h1 g' a5 n5 K7 i他們認為這完全是一種新機制，并稱之為“信息—熱機制”，這意味著，即使不直接同納米機器接觸，也能夠使用信息作為媒介來轉化能量。
; N% R8 ?5 F9 z1 Z9 l- x. a5 Q沒有參與該研究的比利時哈塞爾特大學的克里斯蒂安·凡登布魯克指出，新實驗直接證明了信息可以轉化為能量，盡管如此，新技術仍無法解決人類目前面臨 的能源危機。他表示：“在將信息轉化為能量時，真正的能源成本掩藏于外部（包括實驗的操作者），因此，該實驗就如同人們試圖使用原子核聚變來產生能量，其 實核反應本身耗費的能源可能更多。”
! W6 Q9 b7 @+ S+ j研究人員自己也表示，實驗中的攝像機很笨重，現在的當務之急是找到可自動檢測環境的顯微技術，并將采集到的信息轉化為能量。
, j+ S9 F4 g% v$ G% o' l$ C, F總編輯圈點
) o6 P0 }; e$ `0 M$ l1 K, m- L在“信息轉化成能量”的機理和機制未被進一步闡釋之前，該納米級別的“信息—熱機制”看上去仍像一臺現代版的永動機。19世紀熱力學三大定律相繼提 出，不僅為熱力學奠定了基本完備的基礎，同時也使能量守恒和轉化定律得到了近乎完美的體現。然而兩百年來，總是不斷有人絞盡腦汁試圖實現那個天方夜譚式的 神話。雖然我們相信任何一種真理都有其局限，但當麥氏“妖霧”作為一個“原子尺度的理智存在物”又重來時，我們首先想到的還是孫大圣和他的千鈞棒。