如果真有「麥克斯韋妖」,它將會拯救整個宇宙,這是怎麼回事?

2020-11-26 魅力科學君

「薛丁格的貓」既是死的又是活的，這是非常令人難以接受的，事實上，這就是薛丁格當年提出這個思想實驗想要達到的目的。薛丁格試圖以這隻「既死又活」的貓讓人們明白，量子力學中的「疊加態」是多麼的荒謬，然而時至今日，薛丁格的貓儼然成為了量子力學的代名詞，這是薛丁格萬萬沒有想到的。

物理學中有四大神獸，分別為「芝諾龜」、「拉普拉斯妖」、「麥克斯韋妖」以及「薛丁格的貓」，可以看到「麥克斯韋妖」與「薛丁格的貓」齊名，那麼它有什麼本領呢？今天我們就來講一下。

先簡單介紹一下麥克斯韋（James Clerk Maxwell），他在物理學上的成就可以比肩牛頓，當年的牛頓統一了天上和地下，而麥克斯韋統一了電磁領域，這兩人的成就交相輝映，成就了一個堪稱完美的經典物理學時代。好的，現在我們進入正題。

麥克斯韋

空氣的溫度本質上是空氣分子熱運動的激烈程度，這是一種具有統計意義的物理量，當我們說一個封閉容器裡的空氣溫度時，其實指的是這個容器裡空氣分子熱運動的平均速度，實際上對於這個容器裡的每一個空氣分子而言，它們的速度是不一致的，也就是說它們有的快有的慢。

麥克斯韋指出，假設將一個充滿空氣的封閉容器分成兩個區域（A區和B區），並在分界線設置一個一次只能讓一個空氣分子通過的「小門」，再假設這道「小門」有一個生物，這個生物就是所謂的「麥克斯韋妖」，它的本領是能分辨單個空氣分子的快慢程度，並且還能極快地打開或者關閉這道「小門」。

「麥克斯韋妖」要做的事就是，當「小門」A側的某個較快的分子接近「小門」時，它就打開「小門」讓這個快分子移動到B，而當「小門」A側的某個較慢的分子接近「小門」時，則關閉「小門」不允許這個慢分子通過，對於「小門」B側的空氣分子，「麥克斯韋妖」卻反其道而行之。

我們可以看到，在「麥克斯韋妖」的幹預下，這個封閉容器最終會形成一個A區空氣的溫度比B區低的結果。看到這裡，可能有人會說了，這個「麥克斯韋妖」的本領似乎並沒有什麼大不了的，然而事實卻是，如果真有「麥克斯韋妖」，它將會拯救整個宇宙，這是怎麼回事呢？我們接著看。

「熵」的概念是熱力學的主要奠基人克勞修斯（Rudolf Julius Emanuel Clausius）在熱力學第二定律的基礎上提出來的，簡單地講，「熵」就是指一個系統內部的混亂程度，某個特定的系統內部的混亂程度越高，「熵」就越高，反之亦然。

克勞修斯

克勞修斯指出，在一個孤立系統中，其實際發生的過程總是會令這個系統的「熵」增加，而對於整個宇宙而言也是這樣。隨著宇宙「熵增」的過程，所有的運動如物理、化學、機械、生命等等都將慢慢地轉變成熱運動，當宇宙的「熵」達到最大的時候，宇宙中的溫度將處處相等，整個宇宙將會一片死寂，再也不會出現任何的變化。

這就是著名的「宇宙熱寂論」，這個理論告訴我們，在遙遠的未來，宇宙將會是這樣一種令人悲傷的結局，由於有著熱力學定律的支持，該理論得到了很多科學家的認同。

通過前面的介紹，我們知道了「麥克斯韋妖」能夠按空氣分子的熱運動速度，將混亂的空氣分子自動劃分成兩個溫度不同的區域，其本質就是將一個孤立的系統變得更加有序，也就是說「麥克斯韋妖」所做的事情其實就是這個特定系統的「熵減」過程，它可以有效地避免一個孤立的系統最終變成一潭死水。如果將「麥克斯韋妖」擴大宇宙的層面，那麼整個宇宙就不會像「宇宙熱寂論」所預言的那樣走向終點，從而得到了拯救。

需要注意的是，絕大多數科學家們都認為「麥克斯韋妖」是不存在的，原因很簡單，「麥克斯韋妖」違背了熱力學第二定律，如果真有「麥克斯韋妖」，那就可以做出第二類永動機，而事實上第二類永動機是不可能實現的。然而「麥克斯韋妖」看上去卻似乎無懈可擊，那麼問題出在哪呢？

也許有人會說，「麥克斯韋妖」在開關「小門」的時候會消耗能量，這無疑增加了系統的「熵」，但理論上來講，「麥克斯韋妖」開門「小門」時所需的能量可以非常小，小到幾乎可以忽略不計，因此這種說法不足以反駁「麥克斯韋妖」。

事實上，在1871年麥克斯韋提出這個假設之後的很長一段時間裡，科學家們都為此困惑不已，直到20世紀中葉「信息熵」的概念提出之後，「麥克斯韋妖」才得到了合理的解釋。

該理論認為，信息就是「負熵」，想要獲得信息，就必須產生額外的「熵」，「麥克斯韋妖」依靠信息來幹預系統，如果要獲取信息，就必須要利用某種方式來完成（比如說利用與環境溫度不同光來照亮空氣分子），很明顯這是要消耗能量的，這就說明了在獲取信息的過程中，「麥克斯韋妖」讓這個系統的「熵」增加了，而這個增加的「熵」是永遠不會低於「麥克斯韋妖」在這個系統中減少的熵的。

值得一提的是，雖然孤立系統中的「麥克斯韋妖」已被科學界主流認定為不可能存在的，但是還是有一些科學家對此大感興趣，2007年2月還有科學家提出一種「人造麥克斯韋妖」，試圖利用「信息擒縱閥」來實現孤立系統「熵減」的過程，但由於受困於能量源的問題，這個「人造麥克斯韋妖」最終沒有成功。

好了，今天我們就先講到這裡，歡迎大家關注我們，我們下次再見`

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    來源：參考文獻[2]如果把麥克斯韋妖和箱子看作一個整體，我們可以發現這似乎是一個違反熱力學第二定律的永動機：在沒有外界對這個體系做功的前提下，麥克斯韋妖讓箱子某一側的溫度越來越低、另一側的溫度越來越高，換句話說，麥克斯韋妖的存在使得熱量自發地從低溫熱庫流向高溫熱庫，從而實現了第二類永動機。但是，且慢。
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