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國際

科學家打造「賭博式引擎」:熱力學老規矩,也許要重寫了?

明日科學

更新於 1小時前 • 發布於 1小時前 • 高 詩豪

你可能聽過「天下沒有白吃的午餐」,物理學家也有一句老話:「熱機的效率不可能超過卡諾極限(Carnot limit)」。這條由法國科學家 Sadi Carnot 在 1824 年立下的規矩,兩百年來被奉為鐵律。但現在,有研究團隊大膽提出:也許我們的午餐真的能「白吃」一回。

這項發表在《Physical Review Letters》的研究,介紹了一台被暱稱為「賭博式卡諾引擎」的新型熱機。顧名思義,這台引擎玩的是一種「資訊博弈」:它利用一個微小的膠體粒子(想像一顆泡在水裡的塑膠小球),再加上來自「麥克斯威惡魔」的幫忙──這個惡魔並非真的長角,而是高速監測粒子位置的雷射與電腦。當粒子因熱運動晃到某個「幸運位置」時,惡魔立刻喊「ALL IN!」,迅速跳過原本耗能的壓縮過程,讓引擎近乎零成本完成工作。

把蒐集資訊的能量算進去依然符合總帳

研究團隊設計的『賭博卡諾引擎』(GCE)運作示意圖:在等溫壓縮階段(藍色區域),一個“惡魔”監測布朗粒子的隨機位置變化(a)。若粒子在指定時間內穿越原點(橘色軌跡),系統立即跳至終態而幾乎不耗能;若未穿越(藍色軌跡),則遵循傳統布朗卡諾引擎的壓縮路徑(b,紅色虛線),以達到超越傳統效率的效果。」圖/《Physical Review Letters》

這種機制和賭場黑傑克頗像:有好牌就押、沒把握就跳過。長期下來,引擎的效率竟能超過卡諾極限,理論上甚至逼近 100%。聽起來像作弊?研究人員解釋:其實並沒有違背熱力學。因為當你把「蒐集與抹除資訊」的能量消耗也算進去,總帳仍舊遵守卡諾規則。只是這一次,資訊成了遊戲裡的籌碼。

這台引擎雖然目前還只存在於數學與模擬,但研究團隊強調:使用的參數都是實驗室能做到的。真正的難題是「手速」──要以每秒十萬次以上的頻率監測與反應,才抓得住粒子的隨機晃動。不然,就像賭徒出手太慢,黃金時刻一閃而逝。

如果未來真的能在實驗室成功打造,這種「賭博式引擎」或許能啟發奈米機器、分子引擎的新設計。兩百年前卡諾定律樹立了熱力學的金科玉律,而如今,科學家們像老練的玩家一樣,試著在規則邊緣找到新玩法。看來,就連宇宙最嚴肅的法則,也難逃一場精心算計的「科學博弈」。

更多科學與科技新聞都可以直接上 明日科學網

http://www.tomorrowsci.com

首圖來源:Édgar RoldánBY 4.0)

圖片來源:Physical Review Letters(CC BY 4.0)

參考論文:
1、Gambling Carnot EnginePhysical Review Letters

延伸閱讀:
1、物理學家藉由重新定義「熵」解決「量子力學」與「熱力學」的矛盾

查看原始文章

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