“麦克斯韦妖”与“薛定谔的猫”齐名,它有何恐怖之处?

“薛定谔的猫”既是死的又是活的,这是非常令人难以接受的,事实上,这就是薛定谔当年提出这个思想实验想要达到的目的。薛定谔试图以这只“既死又活”的猫让人们明白,量子力学中的“叠加态”是多么的荒谬,然而时至今日,薛定谔的猫俨然成为了量子力学的代名词,这是薛定谔万万没有想到的。

“麦克斯韦妖”与“薛定谔的猫”齐名,它有何恐怖之处?

物理学中有四大神兽,分别为“芝诺龟”、“拉普拉斯妖”、“麦克斯韦妖”以及“薛定谔的猫”,可以看到“麦克斯韦妖”与“薛定谔的猫”齐名,那么它有何恐怖之处呢?答案是“麦克斯韦妖”根本就不恐怖,与之相反,它是一只“好妖”,今天我们就来讲一下“麦克斯韦妖”有什么本领。

先简单介绍一下麦克斯韦(James Clerk Maxwell),他在物理学上的成就可以比肩牛顿,当年的牛顿统一了天上和地下,而麦克斯韦统一了电磁领域,这两人的成就交相辉映,成就了一个堪称完美的经典物理学时代。好的,现在我们进入正题。

“麦克斯韦妖”与“薛定谔的猫”齐名,它有何恐怖之处?

(上图为麦克斯韦)

空气的温度本质上是空气分子热运动的激烈程度,这是一种具有统计意义的物理量,当我们说一个封闭容器里的空气温度时,其实指的是这个容器里空气分子热运动的平均速度,实际上对于这个容器里的每一个空气分子而言,它们的速度是不一致的,也就是说它们有的快有的慢。

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麦克斯韦指出,假设将一个充满空气的封闭容器分成两个区域(A区和B区),并在分界线设置一个一次只能让一个空气分子通过的“小门”,再假设这道“小门”有一个生物,这个生物就是所谓的“麦克斯韦妖”,它的本领是能分辨单个空气分子的快慢程度,并且还能极快地打开或者关闭这道“小门”。

“麦克斯韦妖”要做的事就是,当“小门”A侧的某个较快的分子接近“小门”时,它就打开“小门”让这个快分子移动到B,而当“小门”A侧的某个较慢的分子接近“小门”时,则关闭“小门”不允许这个慢分子通过,对于“小门”B侧的空气分子,“麦克斯韦妖”却反其道而行之。

我们可以看到,在“麦克斯韦妖”的干预下,这个封闭容器最终会形成一个A区空气的温度比B区低的结果。看到这里,可能有人会说了,这个“麦克斯韦妖”的本领似乎并没有什么大不了的,然而事实却是,如果真有“麦克斯韦妖”,它将会拯救整个宇宙,这是怎么回事呢?我们接着看。

“麦克斯韦妖”与“薛定谔的猫”齐名,它有何恐怖之处?

“熵”的概念是热力学的主要奠基人克劳修斯(Rudolf Julius Emanuel Clausius)在热力学第二定律的基础上提出来的,简单地讲,“熵”就是指一个系统内部的混乱程度,某个特定的系统内部的混乱程度越高,“熵”就越高,反之亦然。

克劳修斯指出,在一个孤立系统中,其实际发生的过程总是会令这个系统的“熵”增加,而对于整个宇宙而言也是这样。随着宇宙“熵增”的过程,所有的运动如物理、化学、机械、生命等等都将慢慢地转变成热运动,当宇宙的“熵”达到最大的时候,宇宙中的温度将处处相等,整个宇宙将会一片死寂,再也不会出现任何的变化。

“麦克斯韦妖”与“薛定谔的猫”齐名,它有何恐怖之处?

(上图为克劳修斯)

这就是著名的“宇宙热寂论”,这个理论告诉我们,在遥远的未来,宇宙将会是这样一种令人悲伤的结局,由于有着热力学定律的支持,该理论得到了很多科学家的认同。

通过前面的介绍,我们知道了“麦克斯韦妖”能够按空气分子的热运动速度,将混乱的空气分子自动划分成两个温度不同的区域,其本质就是将一个孤立的系统变得更加有序,也就是说“麦克斯韦妖”一点也不恐怖,它所做的事情其实就是这个特定系统的“熵减”过程,它可以有效地避免一个孤立的系统最终变成一潭死水。如果将“麦克斯韦妖”扩大宇宙的层面,那么整个宇宙就不会像“宇宙热寂论”所预言的那样走向终点,从而得到了拯救。

“麦克斯韦妖”与“薛定谔的猫”齐名,它有何恐怖之处?

需要注意的是,绝大多数科学家们都认为“麦克斯韦妖”是不存在的,原因很简单,“麦克斯韦妖”违背了热力学第二定律,如果真有“麦克斯韦妖”,那就可以做出第二类永动机,而事实上第二类永动机是不可能实现的。然而“麦克斯韦妖”看上去却似乎无懈可击,那么问题出在哪呢?

也许有人会说,“麦克斯韦妖”在开关“小门”的时候会消耗能量,这无疑增加了系统的“熵”,但理论上来讲,“麦克斯韦妖”开关“小门”时所需的能量可以非常小,小到几乎可以忽略不计,因此这种说法不足以反驳“麦克斯韦妖”。

事实上,在1871年麦克斯韦提出这个假设之后的很长一段时间里,科学家们都为此困惑不已,直到20世纪中叶“信息熵”的概念提出之后,“麦克斯韦妖”才得到了合理的解释。

该理论认为,信息就是“负熵”,想要获得信息,就必须产生额外的“熵”,“麦克斯韦妖”依靠信息来干预系统,如果要获取信息,就必须要利用某种方式来完成(比如说利用与环境温度不同光来照亮空气分子),很明显这是要消耗能量的,这就说明了在获取信息的过程中,“麦克斯韦妖”让这个系统的“熵”增加了,而这个增加的“熵”是永远不会低于“麦克斯韦妖”在这个系统中减少的熵的。

值得一提的是,虽然孤立系统中的“麦克斯韦妖”已被科学界主流认定为不可能存在的,但是还是有一些科学家对此大感兴趣,2007年2月还有科学家提出一种“人造麦克斯韦妖”,试图利用“信息擒纵阀”来实现孤立系统“熵减”的过程,但由于受困于能量源的问题,这个“人造麦克斯韦妖”最终没有成功。

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