在麦克斯韦的恶魔实验中发现了超越热力学标准定律的新极限

时间:2020-04-19 14:37 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

在麦克斯韦的恶魔实验中发现了超越热力学标准定律的新极限

维也纳大学和斯图加特大学的研究人员研究了一种麦克斯韦妖,它的具体表现为作用在悬浮微粒上的延迟反馈力。他们证实了时间延迟对热力学标准定律所不包括的热力学行为施加的新的基本限制。这组科学家在《自然通讯》杂志上发表了他们的新研究。

麦克斯韦妖是一种假想的智能生物,能够探测并对单个分子的运动做出反应。在他的思想实验中,詹姆斯·克拉克·麦克斯韦想象了一个恶魔,他控制着一扇连接两个气体分子腔室的小门。通过只让一个房间里的快速热分子通过,“恶魔”将冷分子与热分子分开,因此减少了系统的无序度和熵,这显然与热力学第二定律相矛盾。

如今,maxwells demon的思想实验可以通过例如一个受反馈控制的微粒来实现。这意味着粒子的位置被测量,信息被存储,并通过施加适当的反馈力从微粒中提取能量。然而,在以前的研究中,恶魔的反应时间从未被考虑过。这对恶魔的表现有影响,应该在现实场景中加以考虑。

在M.L. Rosinberg和T. Munakata最近的理论研究的基础上,维也纳大学(奥地利)和斯图加特大学(德国)的研究人员进行了一项国际合作,他们现在研究了时滞对maxwells demon热力学方法的影响。科学家们用激光使微粒在光学上悬浮起来。粒子在真空的光镊中振荡,同时暴露在与周围气体的随机碰撞中,这被称为布朗运动。由电子电路实现的“恶魔”通过跟踪微粒的位置来获取微粒的信息,并在一定的延迟之后,利用第二束激光对微粒施加相应的反馈力。通过实验,科学家们能够确定诸如热量交换和熵流等热力学量。他们的结果成功地证实了包含时间延迟的新版本的第二定律。我们用热力学的方法来理解时间延迟在实际反馈回路中的作用。在这里,悬浮微粒是一个理想的试验台,提供了良好的控制粒子动态;马克西姆·德比奥萨克说,他是这项研究的第一作者。

作为这项新研究的结果,熵流对提取的能量施加了新的限制,换句话说,对恶魔的工作效率施加了新的限制。除了量化这种效率外,科学家们还观察到,在很长一段时间内,“魔鬼”会引起粒子的一些随机运动,这与通常的布朗运动不同。我们的结果表明,热力学极限也会影响那些依赖反馈将机械系统引入量子态的实验。维也纳大学研究小组的组长尼可莱·基泽尔说:“我们现在很想知道我们的研究将对那个政权产生什么影响。

连续非马氏反馈控制热力学马克西姆·德比萨克,大卫·格拉斯,何塞·华金·阿隆索,埃里克·卢茨和尼古拉·基泽尔,2020年3月13日,《自然通讯》。

DOI: 10.1038 / s41467 - 020 - 15148 - 5

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