眾所周知的一個很簡單的道理,我們把一盆熱水無論什麼天氣,只要靜置在那,它就會慢慢地變涼。
我們只知道這個現象,那你們知道這其中的原理嗎?物理中我們都學過熱力學,它就是第二定律,這個定律旨在表明熱度它是不可能也不可以從溫度低的物體傳送到溫度高的物體上的。
說個最通俗易懂的事吧:把一個高溫和一個低溫的鐵緊緊的靠在一起,溫度高的鐵的溫度會以迅雷不及掩耳之勢傳送到溫度低的鐵上去,在這熱量平衡的過程中達到一個溫度相持的狀態。
或許你就會有疑問了,那我們日常生活中的冰箱、空調,他們的溫度呢?難道都向反方向轉移了?
這你就不明白了吧!冰箱和空調他們讓溫度變低的基礎,是依靠機器做壓縮來實現的,為什麼我們要充氟呢?就是這個道理,按理論來說,低溫度是不能向高溫度轉移的。
其實不止一個人曾經發出過以上疑問,早在1871年左右,有位科學家也曾經有過這個疑問,不過他隨即對這個疑問進行了探究,還真的就讓他發現了第二定理的漏洞!
這個偉大的科學家就是麥克斯韋妖,是他提出了第二定理的BUG!
想想現代人的智慧真是無窮的,竟然有人在現代造出了一個賭徒版的韋妖。
讓我們來了解一下這個妖精吧!
怎麼還認識妖精呢?科學界都是些什麼人物啊,怎麼還封建迷信呢!其實按照我們的話來說這只是一個稱呼而已,一個比喻。
韋妖他有過一個想法,那就是把一個紙盒裝滿氣體,然後在這個盒子中間加一個板子隔成兩個部位,並在這個隔板上挖出兩個袖珍小孔當做門,然後再想象一下這個門的兩邊各有一個相似大小的門衛看守。
氣體揮發的速度有速度快的有速度慢的,人們通常把這些分為兩種:一種是速度不快的“冷分子”,另一種是速度不慢的“熱分子”。
弄完一系列的準備活動之後,韋妖就開始在這個門口把守,假設有“冷分子”想從裡面逃跑出來,韋妖就裝作沒看見,把它放出去,然後迅速把門關緊。
同樣的想法,如果有“熱分子”想跑出去,韋妖就把它引領到左方去。
透過這樣一個反覆的過程,左方就只有熱氣,右方只有冷氣。
剛才我們也說過了,韋妖特別袖珍,門差不多大,因此也會特別袖珍,它們攔截這個冷、熱氣所消耗的能量可以小到忽略不計。
所以經過這樣一個考量,我們就會產生疑問了。
這個韋妖竟然只管著把守門,把冷熱氣體分到兩邊,竟然就實現了熱量向反方向流動??這不就輕而易舉的推翻了第二定理???
其實按照科學的講解,第二定理肯定是沒錯的,不然就能製造出永動機了,那反過來想,韋妖的想法和一系列的實驗到底錯誤在哪裡?
不少人都紛紛發表了自己的看法,其中有這樣一個想法:我們在衡量這些小分子運動的快慢時本身就會消耗能量,因此會導致整體的運作“熵增”,從根本來講,這一想法根本就沒有觸動原則上的問題。
一直等到科學家夏農提出了資訊理論以後,韋妖是一個有反常規的理論才成了事實。
上世紀40年代,眾所周知的數學理論家夏農就證實了第二理論的真實性,並提出是可以被量化的,在此基礎上提出了“資訊熵”。
在夏農理論的基礎上,德國某物理學家上世紀60年代提出了Landauer原則。
德國物理學家認為,不管是什麼樣的資訊,只要傳播,必須要有介質,我們對資訊的解讀就是對這個介質的研究,對於資訊的理解,有很多是有邏輯關係的,是不可胡亂猜測的,在此基礎上,就會理解第二定理的存在。
朗道爾覺得,在一個相對穩定的狀態下去除1bit的相關資料,最少也得消耗kTln2能量。
換句話說,kTln2是改變1bit夏農熵要需要最起碼的能量。
又有人提出疑問了,啥玩意是不可以逆向分析的呢?
這個不可逆思維簡單來說是指很多不一樣的事物對應著一個一樣的事物,舉個例子,想把一些訊息完全去除掉是不可能的,原因就是這個擦除會把所有的東西都認定為是同一個擦除狀態。
上世紀80年代,美國一個科學家在韋妖的基礎上又提出了一個概念綜合體,主要內容就是資訊處理器。
這個核心的主要任務就是需要記載並儲存單個物品的資訊, 目的就是做出一個準確的開、關門決定,而且這個智慧系統還需要判定一些需要刪除的垃圾資訊,以防止記憶體佔滿無法更有效的執行。
最終,美國科學家經過了一百多年的研究,終於證明了韋妖的結論是違背常理的,偉人提出來的第二定理是更有科學依據的。
雖然很多科學家透過研究都得出了韋妖的結論是有違背現實的,但是還有一些科學家們仍不做罷,對韋妖仍然充滿了探究的熱情。
最終韋妖的定論雖然沒有違反第二定理,可是對於人類來說有沒有機會真正會創作出韋妖呢?
進入2000年以後,各國的科學家們真的開始了在實驗室作“妖”了!
最早實現韋妖系統是在2007年,偉大的科學家們用能發光能的門實現了這一系統:
21世紀10年代,日本有位物理學家發表了一篇以發動機為概念的論文,論文中表示研究出了怎麼樣將極其微小的奈米粒子引導攀登旋轉式階梯的辦法。
21世紀13年代,德國又有一位科學家完成了韋妖實驗。
賓院大學的科學家們講隨便的排位粒子重新排列有序
21世紀18年代,賓院的科學家們真正意義上實踐處了韋妖實驗。
賭徒韋妖
雖然這些年科學家們在不斷探究、實現韋妖的想法,但是還是對某些領域無能為力,這畢竟太難搞了。
無論用哪種微小的粒子進行探究,本質上都是在重複進行著能量如何轉換。
某種意義上說,韋妖的實驗是隻需要掌握2個微小粒子的資訊,以此來控制門內擋板的開合。
有科學家提出過這種想法:會不會試驗出來一個啥資訊都沒有的韋妖?
這個啥資訊都沒有的韋妖可能會隨即來自己消耗一下自己的能量,來觀察一下我們所造的核心有沒有獲取到能量,然後我們對於要不要繼續實驗再做決定。
用一個建設來說,1是韋妖消耗的能量,2是實驗本身可以自己就獲取的能量,這就形成了一個賭局,所以說韋妖是一個徹頭徹尾的賭徒。他每次賭局結束,都會問自己,這一局會贏嗎,如果輸了我要不要繼續?
在這個賭局中會出現兩種結果:
第一種就是如果1消耗太多,多大超出了我們的預測範圍,那這個賭徒就可能說我不玩了,我停止!
第二種就是如果1消耗的在我們考慮範圍內,那麼他就可能選擇做一個理智的賭徒,拿著滿滿的戰利品停止這個遊戲。
如果他理智的選擇了第二種情況的話,從本質上來說就是有違背第二定理的。
但是我們得深知這麼一點,第二定理是經過歷史和科學家們反覆檢驗的,這個定理肯定是符合我們日常的邏輯關係的,不然經過這麼多科學家的推翻,他仍然屹立不倒。
所以很多國家的科學家都發出倡議,韋妖這個賭徒本來就是瘋狂的,這也告誡了我們,賭博這玩意還是不要輕易觸碰。