摘要：在经典热力学的框架下，任何发动机都无法突破卡诺效率的上限。然而，近日发表在Physical Review Letters的一项研究引发了学界关注：由国际理论物理中心（ICTP）的 Édgar Roldán 博士团队提出的一种全新“赌博卡诺引擎”（Gamblin
在经典热力学的框架下，任何发动机都无法突破卡诺效率的上限。然而，近日发表在 Physical Review Letters 的一项研究引发了学界关注：由国际理论物理中心（ICTP）的 Édgar Roldán 博士团队提出的一种全新“赌博卡诺引擎”（Gambling Carnot Engine, GCE），在理论上展示了实现 100% 热效率的可能。这一成果不仅颠覆了近 200 年来人们对热力学极限的认知，也为微观尺度下的能量采集和高效纳米机械设计提供了全新思路。
这台“赌博卡诺引擎”并非科幻作品，而是一种基于反馈控制的热机模型。研究团队提出，利用高精度激光干涉测量和实时信息反馈，可以在粒子热运动的随机涨落中捕捉到最佳时机，从而以接近零成本完成压缩过程。在理论分析中，随着运行周期无限接近准静态极限，系统的热效率可以趋近 100%。
“我们一直对发动机的运作机制充满好奇，不管是汽车引擎、太阳能电池，还是细胞内复杂的生物分子机器。”Roldán 博士说，“我们的研究证明，结合信息理论和热力学的原理，经典的效率上限并不是无法撼动的天花板。”
时间回溯到 1824 年，法国物理学家萨迪·卡诺（Sadi Carnot）发表了《论火的动力》，首次提出了热机效率的理论上限：
其中 T_c 和 T_h 分别代表冷、热两个热源的绝对温度。这一定律不仅奠定了热力学的基础，也在两百年的工程实践中被无数次验证。从蒸汽机到现代燃气轮机，乃至核电站和太阳能发电，卡诺效率始终被视为无法超越的“天花板”。
然而，19 世纪末，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）提出了一个著名的思想实验：麦克斯韦妖。他设想一个智能“小妖”，通过控制阀门分拣高能粒子和低能粒子，似乎能够从热平衡中提取有用功，从而“违反”第二定律。这一设想一度引发激烈争论，直到 20 世纪信息论的诞生，才揭开谜底。
香农（Claude Shannon）和兰道尔（Rolf Landauer）等学者逐渐证明，信息处理本身需要消耗能量，只有将信息代价计算在内，才能恢复热力学第二定律的完整性。这开启了信息热力学（Information Thermodynamics）这一全新分支，将“信息”与“能量”紧密联系起来。
进入 21 世纪，纳米尺度的实验技术飞速发展，光镊、纳米操控和高精度传感器的结合，使科学家能够直接追踪单颗粒子的布朗运动。随机热力学（Stochastic Thermodynamics）随之崛起，它关注微观粒子在随机涨落下的能量交换规律，为重新定义热机效率提供了数学和实验基础。
2010 年代，多项实验成功构建了微观卡诺热机，将理论概念转化为可观测现象；而 2021 年，Roldán 团队首次提出“赌博热力学”的概念，将博弈论的策略引入微观热机的运行中。
在传统卡诺循环的等温压缩过程中，粒子会逐渐被压缩至更高能量的束缚态，而这个过程需要外界输入相当多的功。但 GCE 的创新点在于不再线性压缩，而是通过高频率监控粒子的微观位置，在粒子因布朗运动随机回到陷阱中心的瞬间，瞬间完成压缩步骤。
这种策略相当于“等待最佳牌面”再下注的赌博思路。当“麦克斯韦妖”检测到粒子的位置满足预设条件时，立即触发压缩操作，这一操作几乎不需要额外能量消耗，从而让整个热机的循环效率显著提高。
数学上，这一过程对应于效率随操作时间 ttt 呈指数规律提升的模型：
随着循环趋近准静态极限（t→∞），效率理论上可无限接近 100%。
然而，效率超越卡诺极限并不意味着热力学第二定律被推翻。Roldán 团队明确指出，必须将信息处理的能量代价纳入总账。
按照兰道尔原理，擦除一比特信息至少需要：
当研究人员将监测、反馈与数据擦除的能耗全部计入热力学循环时，系统的整体效率仍旧遵循卡诺上限。这意味着，GCE 的高效率只是体现在热量到机械功的转换环节，并没有违反自然界的根本法则。
GCE 的实验设想依托于光镊（optical tweezers）技术。研究中，粒子是一颗悬浮在水中的微米级聚苯乙烯球体，由激光束产生的势阱限制其位置。
等温扩张阶段：粒子通过吸收热量，随机运动范围增加，外界提取部分功。赌博压缩阶段：监控粒子运动，当其随机返回中心位置时立即压缩陷阱，实现接近零成本的压缩。绝热过程与能量交换：通过快速调整激光势阱参数，实现对粒子能量状态的精准控制。这种结合布朗运动与高频监测的策略，使得微观尺度下的热机效率具备前所未有的灵活性。
赌博卡诺引擎的提出，意味着热力学正在进入一个全新的时代。两个世纪以来，卡诺效率的公式像一条神圣的红线，划定了能量转换的终极边界。而如今，借助信息热力学与随机热力学的融合，研究者第一次看到了突破传统框架的可能。
当然，这并不是对第二定律的颠覆，而是一种更深层次的延伸：信息作为物理量的一部分，重新定义了效率与功的关系。
来源：老胡科学一点号