¿Una medida requiere siempre el intercambio de energía?

En teoría, no existe un límite inferior en la cantidad de energía que debe intercambiarse para realizar una medición, al menos directamente. Pero está limitado por el principio de Landauer cuando inicializa la memoria que necesita para registrar la medición. Efectivamente, la medición es la réplica de información sobre el estado del sistema medido en el estado del sistema de medición. Esto significa que parte de la información sobre el estado del sistema de medición, lo que la medición "desplaza", debe terminar codificada en el entorno y, en última instancia, se necesita trabajar para expulsar este exceso de entropía.

Así que tendrás que gastar trabajo$k\,T\,\log 2$para inicializar la memoria necesita registrar cada bit de información medido.

Durante algún tiempo después de que Szilard pensara en su famoso experimento mental del motor Szilard (1929), creía que el mecanismo por el cual el motor cumplía con la segunda ley era exactamente que requiere una cantidad de trabajo igual a$k\,T\,\log 2$para medir un bit de información sobre el estado de un sistema.

Sin embargo, varios experimentos mentales demostraron que esto no era así, en particular, el Fredkin-Toffoli Billiard Ball Computer . En este dispositivo, los estados de los registros internos pueden consultarse sin gasto de energía. Una excelente revisión de estas y otras ideas se encuentra en

Charles Bennett, "La termodinámica de la computación: una revisión", Int. J. Teo. Phys., 21 , No. 12, 1982

Como se discutió en el documento de Bennett, la entrada de trabajo al motor Szilard que requeriría la segunda ley es necesaria para "olvidar" fragmentos de información, como resumo en mi respuesta aquí . Cuando realiza una medición, debe "hacer espacio" para ella "olvidando" el estado anterior del sistema en el que codifica esa medición.

Apéndice

Alguna explicación adicional que conecta la computadora sin fricción con la medición. La computadora Toffoli, si entiendo la historia correctamente, fue la primera demostración aceptada del error en la suposición de Szilard de que era la medida la que requería la cantidad.$k\,T\,\log 2$de energía para decidir si una molécula viajaba hacia o desde la puerta en su propia versión del Maxwell Daemon. El sondeo de un bit de la memoria de una computadora es exactamente lo mismo que la medición de una molécula: es la inferencia de un bit de información sobre el estado de un sistema físico observado y, al menos en este caso, el experimento de Toffoli muestra que esta inferencia puede hacerse sin gasto de energía.

Ahora, si le preocupa la fricción en el experimento de Toffoli, entonces inclúyala en el experimento mental e imagine disminuirla a través de alguna medida de ingeniería: mejor mecanizado, levitación magnética, lo que sea. Como la fricción disminuye a través de estas medidas, no se encuentra ningún principio físico fundamental que detenga el proceso. Puede ser impracticablepara promover el proceso, pero no hay una razón física fundamental por la que la fricción no pueda reducirse. En principio, puede hacerlo arbitrariamente pequeño. Esto es bastante diferente de darse cuenta de que para inferir un bit de información sobre un sistema, debe escribir esa información en el estado físico de algún sistema, y ​​el estado sobre el que escribe debe registrarse en otro lugar. Esto se deriva de la suposición de que las leyes físicas microscópicas son reversibles y, si es cierto, el límite límite de Landauer es fundamental.

Sí. El efecto Aharonov-Bohm es un ejemplo en el que se puede medir algo sin intercambiar energía.

Un solenoide largo dentro de las dos trayectorias de un experimento de dos rendijas de electrones induce un cambio de fase$\Delta \phi=q \Phi_B / \hbar$, incluso si no hay un campo electromagnético externo. Lo único que importa es que el potencial magnético integrado alrededor del camino sea distinto de cero [1]. Entonces, aquí podemos medir el flujo magnético sin agregarle o quitarle energía.

Creo que las mediciones sin interacción en la mecánica cuántica también encajan [2]. El problema de prueba de bombas de Elitzur-Vaidman es probablemente el ejemplo más famoso [3]. Aquí, las mediciones utilizan interacciones contrafactuales, donde se obtiene información incluso cuando no hay intercambio de energía (y las configuraciones inteligentes pueden hacer que sea arbitrariamente improbable que suceda).

[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Aharonov%E2%80%93Bohm_effect

[2] Elitzur, AC y Vaidman, L. (1993). Mediciones libres de interacción mecánica cuántica. Fundamentos de Física, 23(7), 987-997. https://arxiv.org/abs/hep-th/9305002

[3] https://en.wikipedia.org/wiki/Elitzur%E2%80%93Vaidman_bomb_tester

Si medimos la longitud con una escala, no hay cambio de energía. Así que depende de los temas a medir.

Todo está siempre recibiendo y emitiendo energía. Si observamos una estrella lejana para estimar su temperatura, estamos recibiendo energía de ella. Sin embargo, no estamos causando ningún intercambio de energía adicional.

En mi opinión, todas las partículas son ondas estacionarias que continuamente reciben y emiten ondas esféricas a la frecuencia Compton de la partícula. Esta comprensión explica las propiedades de las partículas, incluidas las ecuaciones de De Broglies. Busque WSM para obtener más información.

Sí. Tiempo. Podemos pensar en un experimento en el que una caja negra se encuentra en un marco de referencia junto con un reloj. Todo lo que sucede dentro de la caja, sucede en el mismo marco de referencia que el reloj, sin embargo, para medir los tics de tiempo dentro de la caja, no es necesario tomar energía de la caja. Sin embargo, la sincronización de los relojes sería otro problema....