“麥克斯韋妖”是個什麼東東

您正在安靜的環境中看這篇文章，身體並沒有感到有什麼異樣，而實際上，周圍無數的空氣分子正在以每秒約500米的速度對您進行全方位地轟炸，這個速度比出膛的手槍子彈都要快。

在任何一個物質的內部，包括您的體內，原子和分子也都在永不停歇地振動撞擊，這些微粒的速度越快，其攜帶的能量就越大，可以想像，在隨便一坨物質中，由微粒高速運動而產生的能量總和都是很大的，若能將這種“物質的內能”開發出來做功，人類就會徹底解決能源問題，煤、石油、天然氣等傳統能源所造成的環境污染將不復存在，溫室氣體之憂也會消失，切爾諾貝利和福島的慘劇再也不會發生，人類的生產生活會邁入一個嶄新的時代，這將是人類歷史上最偉大的發明，沒有之一。

但是，熱力學第二定律像一個緊箍咒，限制著這類熱機的出現。關於熱力學第二定律，克勞修斯的說法是：不可能把熱從低溫物體傳到高溫物體而不引起其它變化，

這個說法揭示了熱量傳遞的不可逆性；開爾文的說法是：不可能從單一熱源吸熱使之完全轉化為功而不引起其它變化，這個說法揭示了熱功交換的不可逆性。舉例來說，將一杯開水和一杯冰水倒在盆裡，盆裡水的溫度會中和，而且這個過程不可逆，即一盆水不會自動地分離成一半開水和一半冰水。溫度中和過程是系統從有序向無序轉化的過程，“熵”作為系統混亂度的表徵，中和過程就是熵增過程。這種“熵只能增加而不能減少”的原理有個重要的前提條件，即系統必須是孤立的，若系統不是孤立的，而是伴隨著能量的輸入，那熵減就有可能發生了。

科學研究沒有禁區，總是有人在尋找著熱力學第二定律的反例，其中最著名的就是1871年物理學家麥克斯韋設計的一個頭腦實驗—麥克斯韋妖。他假設了一個密閉的容器，

由一個沒有摩擦力的隔板分成AB兩部分，隔板上有個由妖魔控制的閥門。起初兩側溫度相同，當高速分子由A向B運動或慢速分子由B向A運動時，妖魔就打開閥門令其通過，反之，當高速分子由B向A運動或慢速分子由A向B運動時，妖魔就關閉閥門。久而久之，高速分子都跑到了B區，慢速分子都跑到了A區，於是這個封閉系統的有序性大大增加，而熵就大大減少了。這只想像中的妖魔打破了“封閉系統的熵只能增加”的熱力學第二定律，若它真的存在，那我們就可以利用溫差對外做功了，科學界將這類違背熱力學第二定律的熱機稱為“第二類永動機”。

這只想像中的妖魔曾令物理學家們傷透了腦筋，長期以來爭論不休，直到上世紀50年代，法國物理學家布裡淵用資訊理論驅逐了這只妖魔，捍衛了熱力學第二定律的正確性。布裡淵在其專著《科學與資訊理論》及一系列論文中，從資訊理論的角度分析了妖魔的分辨本領及控制能力的來源。由於容器是密閉的孤立系統，妖魔處於絕對黑體中，它是不可能看清任何東西的，當然也就無法分辨分子運動的速度和方向，系統只能繼續處於原來的平衡態中。除非外面提供光亮，它才有可能看清楚並正確控制閥門，從而增加系統的有序性並使熵減少，但這種有能量輸入的系統就不再是孤立系統了，當然就不再適用於熱力學第二定律了。

布裡淵還進一步分析了資訊理論中的熵與熱力學中的熵的定量關係，得出了公式1bit=kln2(J/K)，其物理意義是：要獲取1bit的資訊，其熵必定減少kln2=0.957×10-23(J/K)，其中k=1.38×10-23(J/K)。例如T為300K時，則要消耗2.87×10-21（J）的能量。資訊的獲取必須借助於一定的物質過程，而且伴隨著一定能量的消耗，不耗損能量而獲得資訊是不可能的，所以說孤立系統中的妖魔是不可能存在的。

科學不僅將很多可能性變成了現實，而且還否定了很多可能性，違背熱力學第二定律的第二類永動機就不可能實現，這早已經是科學界的共識，包括美國在內的許多國家早已不受理此類發明的專利申請。國外的那兩項研究也跟試圖推翻熱力學第二定律毫無關係，它們不過是在極微小尺度上精密控制技術的成功探索，只是實驗結構與“麥克斯韋妖”這個頭腦實驗有些形似，於是被拿來說事了，而這只小妖早已經被驅逐60年了。

轉載自 奧卡姆剃刀

直到上世紀50年代，法國物理學家布裡淵用資訊理論驅逐了這只妖魔，捍衛了熱力學第二定律的正確性。布裡淵在其專著《科學與資訊理論》及一系列論文中，從資訊理論的角度分析了妖魔的分辨本領及控制能力的來源。由於容器是密閉的孤立系統，妖魔處於絕對黑體中，它是不可能看清任何東西的，當然也就無法分辨分子運動的速度和方向，系統只能繼續處於原來的平衡態中。除非外面提供光亮，它才有可能看清楚並正確控制閥門，從而增加系統的有序性並使熵減少，但這種有能量輸入的系統就不再是孤立系統了，當然就不再適用於熱力學第二定律了。

布裡淵還進一步分析了資訊理論中的熵與熱力學中的熵的定量關係，得出了公式1bit=kln2(J/K)，其物理意義是：要獲取1bit的資訊，其熵必定減少kln2=0.957×10-23(J/K)，其中k=1.38×10-23(J/K)。例如T為300K時，則要消耗2.87×10-21（J）的能量。資訊的獲取必須借助於一定的物質過程，而且伴隨著一定能量的消耗，不耗損能量而獲得資訊是不可能的，所以說孤立系統中的妖魔是不可能存在的。

科學不僅將很多可能性變成了現實，而且還否定了很多可能性，違背熱力學第二定律的第二類永動機就不可能實現，這早已經是科學界的共識，包括美國在內的許多國家早已不受理此類發明的專利申請。國外的那兩項研究也跟試圖推翻熱力學第二定律毫無關係，它們不過是在極微小尺度上精密控制技術的成功探索，只是實驗結構與“麥克斯韋妖”這個頭腦實驗有些形似，於是被拿來說事了，而這只小妖早已經被驅逐60年了。

轉載自 奧卡姆剃刀