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热力学是否允许存在一种机器,吞进足量整齐的扑克牌,吐出混乱的牌,并把一个微小等温气泡分成冷热两部分?

2022-01-11知识

不知道题主所说的「扑克牌从整齐变混乱」是字面意义上的打乱扑克牌还是指某个物理系统从确定态变成不确定态,如果是后者那我们还可以愉快地讨论,如果是前者那我就手动再见了 [滑稽]

物理上实现麦克斯韦妖的实验我印象中读到过两篇,一个是用晶体管做开关让电子靠热涨落爬到势能高位的【Nature Communications 8, 15310 (2017)】,一个是用显微镜观察纳米球布朗运动然后切换势场的【Nature Physics 6, 988–992 (2010)】,由于后者比较直观,我接下来就参照后者构造这台机器。

如图,带电纳米球小黑处于紫线所示的势阱中(简便起见我们就只考虑一维),因受到周围分子热运动的撞击而在势阱中随机左右晃动:

现向下照射两道光子(状态确定,此即「整齐的扑克牌」),检测小球的位置:

这样探测后的结果有可能是 11、10、01,即「混乱的扑克牌」

后面的做法就跟那篇 nature 论文是类似的套路了。当结果为 10 时,将势场切换为绿线所示;当结果为 01 时,将势场切换为蓝线所示:

这样我们就将一部分周围分子热运动的动能转移给了小黑(形式为电势能,你一定要「热」的形式的话把它释放为动能即可),这一过程的代价是打乱了光子的状态(初态都是向下,而末态变成可能 01 也可能 10)

熵跟整不整齐没关系,而是跟状态确不确定(即「情报」)有关系。比如如果你 100% 确定结果就是 10 态,那么这也叫作「整齐」而并不「混乱」(唉其实根本就不应该用这两个名词,太容易引起误解了 ╮(╯_╰)╭

一个相关的问题:1mb(毫比特)的数据有多大?