科学家首次将信息转化为能量

2010-11-16 10:01 来源: 中国科学院
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  日本研究人员在11月15日(北京时间)出版的《自然·物理学》网络版上报告称,他们在实验室中让一个纳米小球沿电场制造的“阶梯”向上爬动,爬动所需的能量由该粒子在任何给定时间朝哪个方向运动这一信息转化而来,这意味着科学家首次在实验室实现了信息到能量的转化,验证了约150年前英国物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦提出的“麦克斯韦妖”这一设想。

  日本中央大学理工学部的鸟谷部祥一和东京大学的佐野雅树领导的团队在实验室让一个直径为287纳米的聚苯乙烯小球沿电场制造的微小旋转阶梯向上爬动,并将小球拍照。小球可以随机朝任何方向运动,由于向上爬会增加势能,因此其往下一层的概率更大,如果不人为干扰,小球最终会掉至最底层。在实验中,当小球沿阶梯向上爬一层后,研究人员就使用电场在小球爬上的那层阶梯加一面“墙”,让小球无法回到低的那一层,这样小球就能一直向上爬。

  该小球能爬阶梯完全由“自己的位置”这一信息所决定,研究人员无需施加任何外力(比如注入新能量等),仅需一个感应系统(比如摄像机)。另外,他们也能精确地测量出有多少能量由信息转化而来。

  这是“麦克斯韦妖”第一次在实验中实现。1871年,麦克斯韦提出了“麦克斯韦妖”设想:一个绝热容器被分成相等的两格,中间是由一种机制控制的一扇活板门,容器中的空气分子做无规则热运动时会撞击门,门则可以选择性地将速度较快的分子(温度较高)放入其中一格,将速度较慢的分子(温度较低)放入另一格,这样,两格的温度就会一高一低。麦克斯韦认为,整个过程中使用的能量就是“分子是热的还是冷的”这一信息。

  “麦克斯韦妖”似乎违背了热力学第二定律,换句话说,这一过程不能毫无能量损耗地分离热分子和冷分子。后来,匈牙利物理学家冯·劳厄指出,该过程没有违背物理学法则,因为“麦克斯韦妖”实际上必须消耗能量来确定哪个分子是热的、哪个分子是冷的。而在本次实验中,损耗的能量是摄像机的能量通过信息这一媒介转换而来。

  他们认为这完全是一种新机制,并称之为“信息—热机制”,这意味着,即使不直接同纳米机器接触,也能够使用信息作为媒介来转化能量。

  没有参与该研究的比利时哈塞尔特大学的克里斯蒂安·凡登布鲁克指出,新实验直接证明了信息可以转化为能量,尽管如此,新技术仍无法解决人类目前面临的能源危机。他表示:“在将信息转化为能量时,真正的能源成本掩藏于外部(包括实验的操作者),因此,该实验就如同人们试图使用原子核聚变来产生能量,其实核反应本身耗费的能源可能更多。”

  研究人员自己也表示,实验中的摄像机很笨重,现在的当务之急是找到可自动检测环境的显微技术,并将采集到的信息转化为能量。