麦克斯韦妖的实际制造与商业化

在麦克斯韦提出相关概念的140年后，一个真实的麦克斯韦妖在他出生的城市被制造出来。2007年，戴维·利及其在爱丁堡大学的合作者在《自然》期刊上发表了一篇论文，介绍了其中的细节。 ^[14] 一个多世纪以来，竟然真有人制造麦克斯韦妖，这似乎是一件不可思议的事情，但随着技术的进步，尤其是纳米技术，“应用麦克斯韦妖”领域终于诞生了。

利的团队制造了一个包含分子环的小型信息引擎，该分子环可以在两端安有挡块的杆（就像一个哑铃）上来回滑动。在杆的中间是另一个分子，它有两种构象，一种能阻挡分子环，另一种则允许分子环通过。因此，该分子起到了门的作用，与麦克斯韦最初提出的可开关小门的概念类似。这扇门可由激光控制。该系统与保持有限温度的环境接触，因此，分子环会因为常见的热骚动而沿着杆随机地来回摇摆。实验刚开始时，研究人员把作为门的分子设定为关闭状态，只让分子环在一半杆上移动。研究人员能够追踪到分子环的滑稽行为和门的细节，并检验该系统是否真能打破热力学平衡，就像麦克斯韦妖那样。他们确认，“能够操控门的小妖掌握的信息”可以起到燃料的作用。不过，它删除信息的过程又会增加熵，这一点“符合本内特为麦克斯韦妖悖论提供的解决方法”。 ^[15]

很快，其他研究人员纷纷效仿爱丁堡大学的这个实验，开展了相关研究。2010年，一群日本科学家操控了一粒微小的聚苯乙烯珠的热骚动，并宣布：“我们已经证实，信息的确可被转化为势能，麦克斯韦妖的基本原理是正确的。” ^[16] 这些科学家报告说，他们能将信息转变为能量，转化效率为28%。他们设想了一种未来的纳米引擎，它只靠“信息燃料”就可以运行。

第三个实验是由芬兰阿尔托大学的研究团队直接在纳米尺度上实施的，他们把一个电子关在一个边长只有百万分之几米的微型盒子里，盒内保持有限低温状态。电子一开始可以自由移动到两个位置中的某一个，就像在西拉德引擎的盒子中那样。灵敏的静电计可以探测出电子的位置。然后，把这一位置信息输入设备，并提高该设备的电压（一种可逆操作，不会消耗净能量），使电子被困在原地，这相当于小妖插入了挡板。接下来，能量就可以慢慢地从电子的热运动中被提取出来，并用于做功。最后，电压回到初始值，完成整个循环。芬兰团队把这个实验重复了2 944遍，平均效率达到了一台完美的西拉德引擎所能达到的热力学极限的75%。更重要的是，该实验涉及的是自主的麦克斯韦妖，“只有信息在系统与小妖之间直接进行交换，没有热”。 ^[17] 研究人员没有干预该过程，事实上，他们甚至不知道电子在每一次实验中的位置，测量和反馈控制活动完全是自动和独立的，并没有外部实体参与。

经过进一步改良，芬兰团队将两个这样的设备连接起来，把其中一个当作系统，把另一个当作小妖。然后，他们通过监控系统的冷却情况和小妖的升温情况，来测量小妖提取的热能。他们宣称，这一纳米技术的壮举创造了世界上第一台“以信息驱动的电冰箱”。考虑到技术进步的空间，这类设备有可能在21世纪20年代中期变成可用产品。 我们期待这些实验会对纳米技术的商业化产生巨大影响，而不只是推动厨房电器的创新。 0fobcrZoMGWI61tWMF7va9h/L0GFsGi6Ifq7/LJymy8iraFd1pTaOig7Blrd1pv9