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新型“信息恶魔”如何指导我们获利?

研究人员表示,新版本的麦克斯韦妖――“信息恶魔”,可以指引人们从波动中获利

近日,意大利国际理论物理中心(ICTP)和芬兰阿尔托大学的研究人员在《物理评论快报》中发文介绍了“信息恶魔”(即赌博恶魔)概念。“信息恶魔”遵循一种习惯性的赌博策略,可在随机时间停止非平衡过程。它与著名的麦克斯韦妖有所区别。

研究人员从热力学背景下对随机过程“鞅”的性质研究中获取了灵感,最终提出了新概念。鞅是随机过程的典型实例,已经广泛应用于金融、数学等多个领域。研究人员将涉及鞅的知识引入热力学研究中,试图揭示新的普遍热力学定律。

在新研究中,研究人员引入的“赌博恶魔”概念,从本质上讲是新版本的麦克斯韦妖。在麦克斯韦妖的思想实验中,物理学家James Clerk Maxwell提出:恶魔通过使用一个系统的微观动力学信息,有可能颠覆热力学第二定律。这是一条明显的悖论。论文作者Gonzalo Manzano说:“对原始版本的麦克斯韦妖而言,它能够通过在微观层面观察、操纵热力学系统,挑战热力学第二定律。麦克斯韦妖允许以信息的形式产生熵,在新版本中,我们剥夺了恶魔的部分能力,将其推向了极限。”

在研究中,研究人员考虑了一种可能性,即理论中的赌博恶魔仍然可以观察系统的微观动态,但不能随意操纵系统,它只能在自认为正确的时刻停止热力学过程。Manzano说:“人们可能认为,这个弱化的恶魔无法违背热力学第二定律。然而,事实并非如此。但恶魔需要为此做两方面的工作――(1)确定好的策略有效地决定停止时间,(2)考虑非平稳条件下的动态系统。”

研究人员将信息恶魔与赌博游戏进行了类比。论文另一作者Edgar Roldan说:“试想,一个赌徒在玩轮盘赌,他能根据获胜的概率来预测利润。如果这个人每天都玩到赌场关门,他大概率是会赔钱的。然而,赌徒也可以设计一种策略,让他能获取净利润。例如,他在赌博收入超过预设阈值时离开赌场。然而,只有当轮盘赌中数字的概率在一天内发生变化时,这种策略才可能起作用。”本质上,这种赌博恶魔是仅需麦克斯韦妖第一部分就能违反热力学第二定律的装置。

研究人员认为,赌博恶魔可以用于从热力学系统中提取超出自由能变化范围的功。利用鞅理论,他们计算了恶魔能够完成的平均工作量,并用“单电子晶体管收集时间序列数据”等实验加以验证。Manzano说:“我们的研究表明,信息-功转换可以在无法精确控制动力学的系统中实现。这极大地拓展了麦克斯韦设想的范围,并阐明了将信息与热力学联系起来所需的最低条件。”

“研究结论与目前的观点相反――我们没有必要应用反馈来提取自由能变化之外的功。”Roldan说,“它可以通过应用适当的赌博策略来实现。例如,人们可通过赌博获取的功会受到物理过程时间不对称性的限制,因此高度不可逆(远离平衡)的动态可以提取巨大的功,这与股票市场的套利机会非常相似。”研究人员认为,他们的理论也可用于提高微观热机的效率。

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编译:德克斯特

审稿:西莫

责编:陈之涵

期刊来源:《物理评论快报》

期刊编号:0031-9007

原文链接:

https://phys.org/news/2021-03-demon-profits-gambling-strategies.html

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