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T宇宙赌混乱。例如，想象一下，把一小滴红色染料扔进游泳池。所有这些染料分子会慢慢地在水中扩散。
物理学家通过计算染料分子排列的可能方式的数量来量化这种扩散趋势。有一种可能的状态分子都挤在顶针里。还有一个地方，比如说，分子在池底形成一个整齐的团块。但是分子在水中以不同的方式分布的排列是数不胜数的。如果宇宙从所有可能的状态中随机选择，你可以打赌它最终将会是一个无序的可能性集合。
这样看来，被热力学第二定律量化的熵或无序的不可避免的上升，几乎在数学上是确定的。当然，物理学家们一直在试图打破它。
一个几乎做到了。1867年苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦设计的思想实验难住了115年的科学家生涯。甚至在找到了解决方案之后，物理学家们仍在继续使用“麦克斯韦妖”，将宇宙定律推到极限。
在这个思想实验中，麦克斯韦想象着通过竖起一堵带有小门的墙，把一个充满气体的房间分成两个隔间。和所有气体一样，这种气体也是由单个粒子组成的。粒子的平均速度与气体的温度相对应，越快越热。但在任何给定的时间，一些粒子的运动速度会比另一些慢。
麦克斯韦建议说，如果是一个想象中的小生物——后来被称为恶魔，会怎么样呢被称为-坐在门口。每当它看到一个快速移动的粒子从左边靠近时，它就打开门，让它进入右边的隔间。每当一个缓慢移动的粒子从右边靠近时，恶魔就会让它进入左边的隔间。
过了一段时间，左边的隔间会充满缓慢、冷的粒子，右边的隔间会变热。这个孤立的系统似乎变得更有秩序，而不是更没有秩序，因为两个可区分的区域比两个相同的区域有更多的秩序。麦克斯韦创造了一个似乎违背了熵的上升和宇宙定律的系统。
“他试图证明一个熵会减小的系统，”他说拉娅德尔珈朵Callico他是伦敦国王学院的物理学家。“这是一个悖论。”
要解决麦克斯韦妖的问题，两项进展至关重要。第一个是由美国数学家克劳德·香农提出的创始人信息理论。1948年，香农证明了信息的信息量可以用他所说的信息熵来量化。“在19世纪，没有人知道信息，”他说孝宏佐川他是东京大学的物理学家。“现代对麦克斯韦妖的理解是由香农的工作确立的。”
这个难题的第二个关键部分是擦除原则。1961年，德裔美国物理学家罗尔夫·兰道尔(Rolf Landauer)指出，任何逻辑上不可逆的计算，比如从内存中删除信息，都会导致最小的非零功转化为向环境释放的热量，并导致相应的熵增加。兰道尔的擦除原理在信息和热力学之间提供了一个诱人的联系。“信息是有形的，”他后来说宣布．
1982年，美国物理学家查尔斯·贝内特解开了谜团在一起．他意识到麦克斯韦妖的核心是一台信息处理机器:它需要记录和存储单个粒子的信息，以便决定何时开门或关门。它需要定期删除这些信息。根据Landauer的擦除原理，擦除后熵的增加将超过由于粒子的分类而导致的熵的减少。“你需要付钱，”他说冈萨洛marble他是维也纳量子光学和量子信息研究所的物理学家。恶魔为更多信息腾出空间的需求无情地导致了无序的净增长。
到了21世纪，随着思想实验的解决，真正的实验开始了。佐川说:“最重要的发展是我们现在可以在实验室里认识麦克斯韦妖。”
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2007年科学家使用一扇光动力门，展示了麦克斯韦妖的概念;2010年，另一个团队设计了一种方法，利用恶魔信息产生的能量哄珠艰苦的;2016年，科学家们将麦克斯韦妖的想法应用到两个不是气体而是光的隔间。
“我们改变了物质和光的角色，”他说Vlatko书他是牛津大学的物理学家，也是这项研究的合著者之一。研究人员最终做到了负责一个很小的电池。
另一些人则想知道，是否存在一种要求不那么高的方法，可以利用信息从类似的系统中提取有用的工作。和2021年2月发表的研究物理评论快报似乎找到了一种方法。工作使恶魔变成了赌徒。
这个由Manzano领导的团队想知道是否有一种方法可以在不需要信息要求的情况下实现类似于Maxwell 's demon的东西。他们设想了一个带门的双隔间系统，就像以前一样。但在这种情况下，门会自动打开和关闭。有时粒子会随机地将自己分成热的和冷的隔间。恶魔只能观察这个过程并决定何时关闭系统。理论上，这个过程可以产生一个小的温度不平衡，因此，如果魔鬼聪明地决定何时结束实验，并锁定任何温度不平衡，就像一个聪明的赌徒知道何时离开赌桌。“你可以在轮盘赌桌上玩一整晚，或者如果你赢了100美元，你可以停止，”说埃德加Roldan称他是意大利国际理论物理中心(International Center for Theoretical Physics)的物理学家，也是这项研究的合著者。“我们是说，我们不需要像麦克斯韦妖那样复杂的设备来提取第二定律中的功。我们可以更放松。”研究人员随后在纳米电子设备中实现了这样一个赌博恶魔，以证明这是可能的。
像这样的想法在设计更高效的热系统(如冰箱)，甚至在开发更先进的计算机芯片方面都很有用，这可能正接近兰道尔原理所规定的基本极限。
不过，就目前而言，我们的宇宙法则是安全的，即使受到最严格的审查。改变的是我们对宇宙信息的理解，以及我们对麦克斯韦妖的理解。麦克斯韦妖最初是一个麻烦的悖论，现在是一个无价的概念，它帮助我们阐明了物质世界和信息之间的非凡联系。
乔纳森·奥卡拉汉(Jonathan O 'Callaghan)是一名常驻伦敦的自由空间和科学记者。他经常为一些出版物撰稿，包括纽约时报，科学美国人，《新科学家》,《福布斯》,和《连线》杂志．你可以阅读更多他的作品或联系他jonathanocallaghan.com，或者在Twitter上找到他@Astro_Jonny．
