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物理学家证明知识就是力量——几乎是字面意义上的

了解知识如何转化为能量,从佐野和丰部的关于信息到能量转换以及麦克斯韦悖论的见解中获取信息。

作者:Eric Wolff
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我小学时的老师总是说知识就是力量,但谁知道他们说的是字面意义,即使可能不太准确。事实证明,知识就是能量,根据中央大学的丰部正一(Shoichi Toyabe)和东京大学的佐野雅己(Masaki Sano)的研究,它的转换率为28%。他们的实验起源于1871年,当时詹姆斯·麦克斯韦提出了一个思想实验:一个恶魔控制着一面墙上分隔两个装满气体分子的密封室的唯一一扇门。恶魔只允许快速移动的粒子进入一个房间,只允许慢速移动的粒子进入另一个房间。过了一段时间,一个房间只有快速移动的粒子,另一个房间只有慢速移动的粒子。系统失去了熵,但没有消耗任何能量,这似乎违反了热力学第二定律。1929年,匈牙利物理学家利奥·西拉德(Leo Szilard)对麦克斯韦悖论提出了一个关键见解:恶魔必须消耗能量来测量分子的速度,因此恶魔加上气体的整个系统实际上需要工作和能量的消耗。恶魔使用能量进行测量,创造了信息,维护了第二定律,并确立了信息可以转化为能量,反之亦然的观点。在实验室里证明这个观点又花了八十年时间。现在我得承认,我在这里陷入了深奥的科学领域,可能远远超出了我的能力范围,但我理解佐野和丰部的实验是这样的:他们将一系列纳米级的珠子放入溶液中。然后,他们对溶液施加电荷,诱导珠子顺时针旋转,或者至少,顺时针旋转比逆时针旋转消耗的能量更少。一些作者将此比作楼梯:上楼比下楼消耗更多的能量。所以在这种情况下,顺时针就是下楼。但是,溶液中随机的分子供应不时撞击珠子,导致其逆时针旋转或“上楼”——积累更多的势能。科学家(或他们的博士生打杂者)会仔细观察旋转——每当球逆时针旋转(上楼)时,他们都会对它施加电荷,以防止它转回(滚下楼梯),使其保持在较高的势能状态。然后,当下一次珠子随机逆时针旋转时,他们会再次阻止它旋转回来,从而积累更多的势能。本质上,他们将旋转方向的知识(信息)转化为能量。(实际上,我发现左上角的图表比所有这些笨拙的文字都更具启发性,但我不得不尝试一下。)实验非常精确,足以确定28%的转换率,即信息转化为能量。这真的不足以解决世界能源问题,但足以证明一个有趣的观点:知识可能不完全是力量,但它确实是工作。

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