信息引擎

按照我前文中的描述，我们仍不太清楚小妖作为一个智能体，是如何操作装置的。诚然，它不一定是有感知力甚至智商很高的家伙，但它一定有可能取代无头脑但功能相同的小机器人。最近，马里兰大学的克里斯托弗·贾津斯基和他的两位同事就梦想着研发这样一种智能小妖，他们称之为信息引擎。它的工作职责是：“从单一的热库中系统性地回收能量，然后用这些能量克服重力抬升质量，同时将信息写入存储器。” ^[12] 尽管这个想法几乎不可能变成实际的装置，但他们设想的引擎还是为我们提供了一个精巧的思想实验，可用于评估热能、信息和功三者之间的关系，并帮助我们找到它们之间的相对平衡状态。

贾津斯基及其同事设想的奇特装置就像小孩子的玩具（见图6），小妖本身只是一个可以在水平面上转动的圆环。竖直杆平行于圆环的轴线，附着在竖直杆上的是一些桨板，桨板与竖直杆相互垂直。向外伸出的桨板与竖直杆之间形成不同的夹角，就像可随风摆动的悬挂饰物，可以无摩擦地绕杆旋转。具体的夹角为多大并不重要，重要的是它们位于三根共平面的竖直杆的近端还是远端。在远端，它们表示“0”；在近端，它们表示“1”。这些桨板充当了小妖的存储器，它们只是一串数字，比如01001010111010…。整个小智能装置都浸没在热浴中，因此桨板可随机转动，这是热涨落的结果。然而，桨板在转动过程中不能将数字“0”翻转为“1”，或者将“1”翻转为“0”，因为另外两根竖直杆挡住了桨板。所有位于圆环上方的桨板最初都设定为“0”，也就是说它们都被固定在远端，属于“空白的输入存储器”（小妖的大脑记忆被清除了）。中间的竖直杆和附着在它上面的桨板现在开始以稳定的速度垂直下降，使得圆环上方的桨板逐个穿过圆环，来到圆环下方。截至目前，我们似乎还无法看出会发生什么激动人心的事情。但有一个很重要的特点：两侧竖直杆中的一根在与圆环同平面的位置处有一个缺口，所以每块在下降过程中穿过圆环的桨板都会暂时获得自由地绕杆转动360度的能力。结果，每块下降中的表示“0”的桨板都有机会变成“1”。

现在我们要开始探讨最关键的部分了。要想让存储器对小妖有用，下降的桨板需要以某种方式与小妖互动（记住，在这个例子中，小妖是圆环），否则小妖就无法获取信息。设计者提出的互动方式非常简单。圆环内侧固定了一个突出的桨叶，如果一块缓慢下降的桨板在圆环所在的平面上转动，就会撞上突出的桨叶，从而使圆环与桨板朝着同一方向转动。当然，圆环可被推着进行顺时针或逆时针转动，但由于存在非对称性缺口，它逆时针旋转的概率会比顺时针旋转大（从上往下看）。结果就是，随机的热运动被转化为单一方向的转动。这种渐进式的转动可被用来以一种我们现在都很熟悉的方式做有用功。比如，圆环可被机械地耦合到一个滑轮上，它的逆时针运动可以抬升重物，而它的顺时针运动则会让重物下降。平均而言，重物会上升（如果这些描述听起来过于复杂，以致很难理解，你可以看一段生动形象的视频 ）。

那么，热力学第二定律又在其中发挥了什么作用呢？我们似乎再次从混沌中获得了秩序，将随机的热运动转变为定向运动，并将热能转化为功。要遵守热力学第二定律，熵必定会在某处产生，那个地方就是存储器。当下降至圆环下方时，有些桨板的位置状态从“0”变为“1”，有些则仍然是“0”。这些记录都被保存在圆环下方的位置，在那里两旁的固定竖直杆阻止了桨板从“0”到“1”的变动。结果，贾津斯基的装置把一种简单和有序的输入状态000000000000000…变成了一种复杂、无序的（实际上是随机的）输出状态，比如100010111010010…。由于一长串的“0”不包含任何信息，而“1”和“0”组成的序列包含丰富的信息， 因此小妖成功地把热能转化为功（抬升重物），并把信息汇集在存储器中。设备对输入信息流的存储能力越强，小妖就能克服重力抬升更重的物体。该装置的设计者评论道：“一升普通空气比半个一美分硬币还轻，但它包含了足够的热能，可将7千克重的保龄球抬离地面超过三米。通过将无序的分子碰撞运动转化为定向运动，这个智能小妖就能收获丰富的能量，因而它是一种非常有用的装置。” 情况的确如此。不过，跟麦克斯韦和西拉德的小妖一样，在没有清理存储器和删除信息的情况下（这些都会不可避免地引起熵增），贾津斯基的小妖是不可能重复工作的。

事实上，贾津斯基的引擎可以反向运转，删除信息。如果输入状态不全是“0”，而是“1”和“0”的混合（代表信息），重物就会下降，物体的重力势能便可被用于删除信息。在这种情况下，输出比输入含有更多“0”。该装置的设计者解释说：“如果小妖一开始是一块白板，它就能抬升任何物体；但如果输入的信息流饱和（充满了随机数字），小妖就无法做功了……因此，当小妖发挥引擎的作用时，空白或部分空白的存储器就扮演了可被消耗的热力学资源的角色。” 这令人惊讶。如果删除信息的过程增加了熵，那么获得一个空白存储器相当于为引擎注入了燃料。原则上，这里所说的“白板”可以指任何东西，比如，一块磁性计算机存储芯片，或者纸带上一长串的“0”。根据贾津斯基的说法，3×10 20 个“0”可以把一个苹果抬升1米！

处于缺省状态的事物（一个空白存储器）可以成为一种物理资源，这一概念令人回想起科幻小说《银河系搭车客指南》中的“不可能性引擎”。 ^[13] 尽管它看似怪异，但它必然与查尔斯·贝内特的分析相反。毫无疑问，读到这里，你会非常困惑。一串“0”真的可以让引擎运转吗？信息本身能作为一种燃料，就像石油那样吗？这只是一系列智力游戏，还是与真实世界相关联？ lD6H50KQiHYFROofanU+Cd4mzzWh7tjWTyYByCORi1EBvgsELnUklJZuibsYEu76