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【匯總】2019年4月專(zhuān)題

真的存在麥克斯韋妖怪嗎吨述？

麥克斯韋 James Clerk Maxwell

麥克斯韋对人，1831年6月13日 ~1879年11月5日，一位偉大的英國(guó)物理學(xué)家，被公認(rèn)為“牛頓以后世界上最偉大的數(shù)學(xué)物理學(xué)家”兰绣，他建立了第一個(gè)完整的電磁理論體系，預(yù)言了電磁波的存在编振，指出光缀辩、電、磁現(xiàn)象的本質(zhì)的統(tǒng)一性踪央，這一理論奠定了現(xiàn)代的電力工業(yè)臀玄、電子工業(yè)和無(wú)線(xiàn)電工業(yè)的基礎(chǔ)。

但麥克斯韋生前他的電磁動(dòng)力學(xué)理論并不被學(xué)界所接受畅蹂，他的課堂甚至冷清的只有兩位學(xué)生健无。直到1888年德國(guó)物理學(xué)家赫茲測(cè)得電磁波的速度與光速完全一致，才正式的驗(yàn)證了麥克斯韋的光電磁統(tǒng)一理論液斜。

19世紀(jì)初累贤，青年時(shí)代的愛(ài)因斯坦在嘗試協(xié)調(diào)牛頓力學(xué)和麥克斯韋電磁學(xué)的矛盾過(guò)程中，在1905年創(chuàng)造性的建立了狹義相對(duì)論少漆，揭開(kāi)了物理學(xué)革命的大幕臼膏。

熱力學(xué)第二定律

麥克斯韋生活的時(shí)代是以蒸汽動(dòng)力研究為主的熱力學(xué)時(shí)代。在熱力學(xué)中检疫，熵描述了系統(tǒng)在微觀分子領(lǐng)域的無(wú)序性讶请，越是混亂隨機(jī)，其熵越大。

熱力學(xué)第二定律指出夺溢，隨著時(shí)間的推進(jìn)论巍，封閉系統(tǒng)的熵只可能增大，最終達(dá)到熵最大的熱平衡態(tài)风响，就是所有分子都完全隨機(jī)自由的分布在整個(gè)系統(tǒng)空間中嘉汰。

麥克斯韋妖 Maxwell’s Demon

麥克斯韋在1867年最初提出了一個(gè)關(guān)于熱力學(xué)的假想實(shí)驗(yàn)，用以討論是否可以實(shí)現(xiàn)違背熱力學(xué)第二定律的情況状勤。

如上圖所示鞋怀，左右AB兩個(gè)連通的盒子，其中的氣體分子已經(jīng)達(dá)到自由隨機(jī)的最大熵?zé)崞胶鈶B(tài)持搜，這時(shí)候綠色的小妖怪開(kāi)始用繩索控制中間通路小門(mén)的開(kāi)關(guān)密似。

當(dāng)小妖怪發(fā)現(xiàn)左側(cè)A盒中的高能分子（跑得快的紅色分子）想要通過(guò)小門(mén)進(jìn)入B盒的時(shí)候，它就打開(kāi)門(mén)葫盼，而如果A盒中的低能分子（跑的慢的藍(lán)色分子）想要通過(guò)小門(mén)進(jìn)入B盒的時(shí)候残腌，它就關(guān)閉小門(mén)不讓通過(guò)。

而對(duì)于右側(cè)B盒的情況則相反贫导，小妖怪只讓低能分子通過(guò)小門(mén)進(jìn)入A盒抛猫，而阻攔高速分子離開(kāi)B盒。

這么一來(lái)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間之后孩灯，A盒中就充滿(mǎn)了低能分子闺金，B盒中就充滿(mǎn)了高能分子，換句話(huà)說(shuō)就是B盒溫度升高峰档，A盒溫度降低败匹，形成了可以做功的溫度差。同時(shí)這樣的微觀狀態(tài)也更加有序讥巡，熵被降低了哎壳。

悖論問(wèn)題

如果我們假定小妖怪處于AB盒中，那么這無(wú)疑是違背熱力學(xué)第二定律的尚卫。但問(wèn)題在哪？

麥克斯韋妖假想實(shí)驗(yàn)最大的問(wèn)題在于忽略了小妖怪的能量消耗問(wèn)題尸红。忽略了小妖怪如何測(cè)量每個(gè)分子動(dòng)能（速度）這個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題吱涉。

所有的測(cè)量必須要通過(guò)粒子交互才能實(shí)現(xiàn)。沒(méi)有光子我們就無(wú)法看到任何對(duì)象外里，而無(wú)論是發(fā)射怎爵、吸收粒子還是改變粒子的狀態(tài)，都需要能量的參與盅蝗。

聰明的小妖怪確實(shí)可以通過(guò)觀察來(lái)判斷每個(gè)分子的速度和動(dòng)能鳖链，通過(guò)開(kāi)關(guān)門(mén)（我們假設(shè)開(kāi)關(guān)門(mén)這個(gè)動(dòng)作不消耗能量）來(lái)分隔低能和高能分子，進(jìn)而減少整個(gè)盒子里氣體分子的總熵量≤轿——但是逞敷，這個(gè)觀察判斷行為必然導(dǎo)致小妖怪自身能量的消耗，導(dǎo)致自身的熵增加灌侣。所以對(duì)于整個(gè)盒內(nèi)系統(tǒng)（分子加小妖怪）來(lái)說(shuō)并不會(huì)違背熱力學(xué)第二定律推捐，熵只可能增加而不可能減少。

注意侧啼，現(xiàn)實(shí)世界熵并不能保持不變牛柒，而是只增不減。所以經(jīng)過(guò)小妖怪一波騷操作之后痊乾，整個(gè)系統(tǒng)熵更多了皮壁。

如果我們把小妖怪挪到盒子之外，那么這就變成一個(gè)非封閉的開(kāi)放系統(tǒng)了哪审，因?yàn)樾⊙衷谕獠客ㄟ^(guò)繩子對(duì)盒子系統(tǒng)產(chǎn)生了干預(yù)蛾魄。實(shí)際上這種通過(guò)外部手段，向系統(tǒng)內(nèi)注入能量协饲，以實(shí)現(xiàn)高能分子和低能分子的分割技術(shù)畏腕，已經(jīng)在很多電子領(lǐng)域尤其是納米技術(shù)中獲得了應(yīng)用。

獲取信息的代價(jià)

在牛頓經(jīng)典力學(xué)的時(shí)代茉稠，獲取信息是不需要代價(jià)的描馅，智能體對(duì)物理世界的觀察并不消耗任何能量，也不會(huì)對(duì)物理世界產(chǎn)生任何影響而线。

你看或者不看铭污，世界都如此這般的運(yùn)行。

然而在微觀世界膀篮，看或觀察嘹狞，本身就是一種光電性質(zhì)的物理行為，必然對(duì)粒子的狀態(tài)產(chǎn)生影響誓竿。

進(jìn)入到量子力學(xué)之后磅网，觀察行為是概率世界的波函數(shù)坍縮的必要前提。或者說(shuō)是：

你不看筷屡，這世界便是混沌的涧偷，你看時(shí)，一切才變得明白起來(lái)毙死。

麥克斯韋妖是關(guān)于熱力學(xué)原理的一次假想和深入探討燎潮，也成為20世紀(jì)初信息論、系統(tǒng)論扼倘、控制論的重要討論問(wèn)題之一确封。

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