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物理|从麦克斯韦妖到量子生物学，生命物质中是否潜藏着新物理学？( 二 )


生命不仅仅通过DNA ， 也在各个层次上都在进行信息存储和处理 。 基因是作为加密指令集的DNA序列 ， 它们可以通过化学信使开启或关闭其他基因 ， 而且通常会形成复杂的网络 。 这些化学通路类似于电子元件或计算元件 ， 有时构成执行逻辑操作的模块或门[3] 。
在细胞层面上 ， 多种多样的物理机制都允许信号发送 ， 并且会导致合作行为 。 图2所示的黏菌就是一个显著的例子（图2） 。 它们是单个细胞的集合 ， 可以自组织形成奇特的形状 ， 有时会表现出一致的行为 ， 仿佛是单一的生物体 。 同样地 ， 蚂蚁和蜜蜂这样的社会性昆虫会交换复杂的信息 ， 并参与集体决策 。 人类的大脑也是复杂到令人震惊的信息处理系统 。
【物理|从麦克斯韦妖到量子生物学，生命物质中是否潜藏着新物理学？】物理|从麦克斯韦妖到量子生物学，生命物质中是否潜藏着新物理学？
图2：黏菌 。 有时候 ， 自由的单细胞集合会彼此合作 ， 表现得像是具有共同行动计划的单一生物体 | Audrey Dussutour, CNRS
生命的信息基础使得一些科学家提出了一个非正式宣言：
生命 = 物质 + 信息
然而 ， 要使这个连接方程获得真正的解释和预测能力 ， 还需要一个正式的理论框架将信息和物质联系起来 。 这种联系的第一条线索出现在1867年 。 在一封给朋友的信中 ， 苏格兰物理学家麦克斯韦设想了一个微小的生物 ， 它可以感知在一盒气体中四处乱窜的单个分子 。 通过操纵一扇小门 ， 这个被称为“麦克斯韦妖”的小东西可以将所有速度快的分子引导到盒子左边 ， 将速度慢的分子引导到盒子右边 。
关于麦克斯韦妖
物理|从麦克斯韦妖到量子生物学，生命物质中是否潜藏着新物理学？
图3：麦克斯韦妖（Maxwell's demon）
图3显示的是一盒气体被带有小孔的屏障分成两个腔室 ， （绿色的）分子可以一个接一个地通过小孔 。 一扇小门阻挡着小孔 ， 并且由麦克斯韦1867年构想的小妖所把守：小妖观察随机运动的分子 ， 它可以打开或关闭小门 ， 从而让快速的分子从右边移动到左边 ， 让缓慢的分子向反方向移动 。 然后 ， 这个机制就可以用来将无序的分子运动转化为定向的机械运动 。
几十年来 ， 这个“小妖”像一个令人颇感为难的事实处于物理学的核心位置 ， 大多数时候它只是被当作一个理论难题忽略掉 。 在麦克斯韦提出这个思想实验一个世纪以后 ， 科学家们在他的出生地爱丁堡的一个实验室里制造出了一个真正的小妖 。 实验中用到了一个分子环 ， 它可以在两端有阻拦物的棒上来回滑动 。 在棒的中间有另一个分子 ， 它可以以两种构象存在——一种阻止分子环滑动通过 ， 另一种允许分子环通过 。 这个分子因而就像是一扇门 ， 类似于麦克斯韦最初构想的可以移动的小门[17] 。
由于这个实验的引导 ， 众多的小妖设备纷纷出现 ， 包括由芬兰阿尔托大学纳米科学小组的 Jukka Pekola 和纽约大学石溪分校的 Dmitri Averin 建造的信息驱动冰箱[18] 。 在这个冰箱里 ， 气体分子被禁锢于一个双面纳米尺寸的盒子中的单个电子取而代之 ， 这个盒子与热浴耦合 。 冷却循环利用盒子中具有特定电子能量的两个简并态的存在 。 在循环最开始 ， 电子处于一个确定的非简并态 。 外加电场将电子能量提高到简并能级 ， 这样电子可以以相等的概率停留在两种状态中的任何一种 。
这种不确定性的引入意味着电子的熵增加 ， 而热浴的熵 ， 也就是温度相应减少 。 此时与第一个单电子盒子耦合的另一个盒子扮演小妖的角色 ， 它探测电子处于两种状态中的哪一个 ， 并自动将信息反馈给提供驱动的电场 ， 电场利用这个信息快速将电子返回到初始的非简并态 ， 从而完成整个冷却循环 。 研究人员发现 ， 每次循环产生1比特信息——对应电子所处的状态——的过程能够以75%的平均效率从热浴中提取热量 。 麦克斯韦是对的：信息确实可以作为一种驱动燃料 。
因为分子速度是温度的度量 ， 所以小妖实际上是利用分子的信息在盒子里制造了一个热量梯度 。 然后 ， 工程师就可以利用这个热量梯度来提取能量 ， 做有用功 。 从表面上看 ， 麦克斯韦设计了一台纯粹由信息驱动的永动机 ， 违反了热力学第二定律 。
为了解决这个悖论 ， 必须将信息量化并正式包含到热力学定律中 。 现代信息论[4]的基础由克劳德·香农（Claude Shannon）在上世纪40年代末奠定 。 香农将信息定义为不确定性的减少——例如 ， 通过检查掷硬币的结果来降低不确定性 。 掷硬币确定正面朝上还是反面朝上时获得的信息就是熟悉的二进制数字 ， 或者说比特 。 为了结合香农的信息论与热力学 ， 信息被定义为负熵 。 因此 ， 小妖为获得热力学优势而获取的任何信息都必须在某个阶段以熵的增加为代价——例如 ， 当小妖对于分子信息的记忆被清除和重置以便能够重复循环时 。
物理|从麦克斯韦妖到量子生物学，生命物质中是否潜藏着新物理学？


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