在熱力學(xué)研究領(lǐng)域當(dāng)中，有四條基本定律，其中第二條指出了熱力學(xué)所具有的不可逆性，也就是說(shuō)在自然狀態(tài)下，熱量總是自發(fā)地從高溫?zé)嵩戳飨虻蜏責(zé)嵩础?/p>

對(duì)此我們從自己的生活經(jīng)驗(yàn)中也能找到例證，比如將一冰一熱兩杯水貼著靠在一起，在盡量減小室溫影響的條件下，結(jié)果一定是冰水的溫度升高，而不會(huì)是熱水的溫度升高。

麥克斯韋放出的麥克斯韋妖，糾纏物理學(xué)家150年，它到底是什么？

麥克斯韋妖

熱力學(xué)第二定律被認(rèn)為是絕對(duì)正確的，因?yàn)槿绻皇牵敲此^的第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)就是可以實(shí)現(xiàn)的了。按照第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)的設(shè)想，人類(lèi)可以設(shè)計(jì)出這樣一種裝置，使其可以從環(huán)境中吸取熱量，然后再將這些熱量轉(zhuǎn)化為功，從而提供源源不斷的動(dòng)能。

也就是說(shuō)，他們想要實(shí)現(xiàn)從單一的熱源上持續(xù)吸收熱量，而且這些熱量可以全部得到利用，不產(chǎn)生損耗或者流失。但是這顯然與熱力學(xué)第二定律是相悖的，要想把第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)變成現(xiàn)實(shí)，首先就要推倒這個(gè)定律，有沒(méi)有人做到過(guò)呢？

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第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)

目前來(lái)說(shuō)還沒(méi)有，但是一些腦洞大開(kāi)的科學(xué)家一直在不斷地提出猜想，試圖找到新的突破口，其中有一個(gè)理論還產(chǎn)生過(guò)不小的影響，這就是麥克斯韋妖理論。

麥克斯韋妖，這個(gè)名字乍一看有些奇怪，這個(gè)妖指的是什么呢？大約150年前，1871年的時(shí)候，英國(guó)物理學(xué)家詹姆斯麥克斯韋在嘗試推翻熱力學(xué)第二定律時(shí)，構(gòu)想出了一個(gè)熱力學(xué)模型。

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麥克斯韋

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，這個(gè)模型的結(jié)構(gòu)是一個(gè)絕熱的容器，正中間同樣由絕熱的材料分開(kāi)，兩個(gè)格子的體積和熱力環(huán)境相同，而所謂妖其實(shí)是一個(gè)假想的存在，它的角色類(lèi)似人類(lèi)社會(huì)中的某一類(lèi)管理者，它的職責(zé)是守衛(wèi)在兩個(gè)格子之間的一道小門(mén)旁邊，當(dāng)兩邊的熱力分子開(kāi)始運(yùn)動(dòng)時(shí)，它可以決定哪些分子可以通過(guò)，哪些不能。

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按照麥克斯韋的假設(shè)，當(dāng)分子不斷撞擊小門(mén)的時(shí)候，這個(gè)小妖可以將實(shí)現(xiàn)將熱分子和冷分子完全分隔在兩邊的格子里，如此一來(lái)，就會(huì)形成最大溫差，并利用它來(lái)進(jìn)行做功的過(guò)程。

面對(duì)他的構(gòu)想，許多物理學(xué)家都提出了質(zhì)疑，比如最關(guān)鍵的那個(gè)妖怪的角色，它的所謂“開(kāi)門(mén)”的活動(dòng)也需要做功，而這必然會(huì)消耗掉裝置里的熱能。

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如此一來(lái)，下一次的熱量流動(dòng)所能產(chǎn)生的功一定會(huì)少于上一次，在有限的流動(dòng)次數(shù)之后，熱量最終會(huì)被耗盡，因此他們認(rèn)為麥克斯韋的設(shè)想不能成立，這個(gè)反駁得到了很多人的支持，但麥克斯韋不這樣認(rèn)為，他之所以將這個(gè)管理者的角色稱(chēng)為妖，其實(shí)就是為了將它的存在變得虛無(wú)縹緲。

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按照他的說(shuō)法，這個(gè)妖是無(wú)限趨近于不存在的，所謂的門(mén)也無(wú)限趨近于零質(zhì)量，因此它做的功可以被看作趨近于零，這個(gè)解釋在理論上是行得通的，但是麥克斯韋仍然要在實(shí)際操作層面將這個(gè)妖的角色落實(shí)，因?yàn)闊o(wú)限趨近于零的另一個(gè)意思其實(shí)就是不等于零，但另一方面，質(zhì)疑麥克斯韋妖的科學(xué)家也無(wú)法在理論上反駁這個(gè)設(shè)定。

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信息熵

1948年，數(shù)學(xué)家香農(nóng)提出了信息論，這才徹底將麥克斯韋妖的真面目揭露出來(lái)。根據(jù)香農(nóng)的理論，信息是可以被量化、儲(chǔ)存并用來(lái)進(jìn)行通信的，它也成為現(xiàn)代應(yīng)用數(shù)學(xué)、電子學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)重要的實(shí)踐基礎(chǔ)。

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香農(nóng)也進(jìn)一步提出了信息熵的概念，所謂熵是用來(lái)度量信息的量度，在數(shù)據(jù)領(lǐng)域，它指的是一條信息中各類(lèi)符號(hào)的平均比特?cái)?shù)。那么信息論是如何反駁麥克斯韋妖的理論的呢？

物理學(xué)家Rolf Landauer在信息熵的基礎(chǔ)上提出了自己的推論，他認(rèn)為物理學(xué)模型中所假定的一切抽象的信息都意味著對(duì)應(yīng)的物理載體，不管這種載體是宏觀(guān)層面還是微觀(guān)層面。

所以麥克斯韋所設(shè)想的那個(gè)小妖怪要想做到無(wú)限趨近于不存在，就相當(dāng)于是需要將某部分信息從整個(gè)模型當(dāng)中擦除，而這種擦除必然會(huì)消耗環(huán)境中的能量，并且這個(gè)過(guò)程是不可逆的，如果可逆，那就意味著可以做到熵減，這顯然是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

信息論和對(duì)它的展開(kāi)其實(shí)已經(jīng)基本上推翻了麥克斯韋妖的設(shè)想，但是還是有許多夢(mèng)想家仍然在鍥而不舍地嘗試，想要找到一個(gè)能夠不做功的妖，比如光學(xué)意義上的麥克斯韋妖，量子意義上的麥克斯韋妖，以及所謂的賭徒意義上的麥克斯韋妖等等，但這些變體都沒(méi)有解決最根本的悖論，那就是如何讓這個(gè)妖不做功。

結(jié)語(yǔ)

科學(xué)家們對(duì)于第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)的熱情不減，各種理論花樣層出不窮，雖然沒(méi)有什么進(jìn)展，但是還是值得鼓勵(lì)的，因?yàn)樵谶@些試錯(cuò)的過(guò)程中，其實(shí)也會(huì)不斷有一些新的東西被發(fā)現(xiàn)，科學(xué)研究的長(zhǎng)度也許沒(méi)有什么改變，但是在寬度上卻有不少延展，這也不失為科學(xué)進(jìn)步的一種方式。

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