科学异闻录之麦克斯韦妖

科学异闻录之麦克斯韦妖

首页角色扮演妖之异闻录更新时间:2024-10-23

闻名科学界有四大凶兽,分别是芝诺的乌龟、拉普拉斯兽、麦克斯韦妖和薛定谔的猫。其中几个,在之前的文章里已经都涉及过,或者专门说过了,今天我们来讲讲麦克斯韦妖。

麦克斯韦妖生平

从名字就能够看出来,麦克斯韦妖的缔造者就是麦克斯韦本人。麦克斯韦是谁?那是电学界的牛顿,是为电学封顶之人。他一举将许多难题解决,实现电力学大一统,创造出世界上完美到令人发指的麦克斯韦方程组。那是经典物理学的巅峰时刻!19世纪的天空,在法拉第打下的地基上,麦克斯韦造出了简洁到完美的屋顶。

麦克斯韦的贡献其实远不止这几个方程组,甚至他的方程组中还包含了相对论的基础,也为量子力学的发展出了一波力。那么麦克斯韦妖是什么呢?他为什么偏偏要制造这么一个妖怪呢?

那是一个永动机频出的时代,一群人热衷于永动机的幻想。当“能量守恒定理”显示之后,人们发现第一类永动机是无法被制造出来了,于是瞄准了“第二类永动机”,即热与功之间的转换,举个最简单的例子,就是远远不断地从大海中提取热量。后来第二热力学定律出现了,人们发现了熵递增的原理。第二类永动机也不攻自破,真正意义上断绝了永动机的幻想。

麦克斯韦妖就是针对热力学第二定律,即熵增定律提出的。麦克斯韦作为物理学集大成者,他隐隐感觉到,这个宇宙中可能存在着某种机制,在抵抗着熵的增加。终于,他悟出来了一个假想,这个假想宛如一把致命的剑,直插在热力学第二定律的心脏上!

麦克斯韦妖的定义

麦克斯韦假想,宇宙中有这么一种机制(当然是假想的),这种机制宛如一个拥有亿万级显微镜的智者,他窥探到了每个分子的一举一动。假如有一个完全与外界隔绝的箱子,中间用一块完全隔热的板子隔开,出了一个小门,而麦克斯韦妖就站在小门前。

他站在门前,盯住了每一个分子,如果是运动快的分子(势能高,即比较热)他就不让这个分子过去,如果是运动比较慢的分子(势能低,即比较冷)他就放它过去。久而久之,原本温度平衡的箱子,就出现了一半热一半冷的现象。这个是与热力学第二定律相悖的,根据熵增定理,上诉过程相反一下才是正确的。

这只妖的出现,与拉普拉斯兽让人绝望不同,他是整个宇宙的救星!因为热力学第二定律告诉我们,宇宙的熵一直在增加,最后,整个宇宙都会归于一片寂静,死气沉沉。人类目前即便发展到能移民外星又怎样?所有的结局都是已经注定好了的,宇宙终将灭亡!(虽然灭亡时间长到令人宽一万个心)

这头妖的出现,让人们意识到,宇宙或许还有救。而且倘若真的存在,第二类永动机没准真的能实现。很多人说这种妖在放分子过去的时候是在做功的,消耗了能量,才使得熵减少,但是真实情况是这些分子都是自己在运动的,自己去撞小门的,麦克斯韦要只是做了一下判断而已,并没有做功。

麦克斯韦妖的末日

其实很多人说这种妖在放分子过去的时候是在做功的,消耗了能量。其实没错,麦克斯韦妖的确需要消耗能量,但并不是在放分子的过程,而是在判断分子快慢的过程中。

现在,物理学已经证明,信息是有能量的!是负熵!信息消除之时,会释放出相应的能量,熵增加了!也就是说麦克斯韦妖,其实还是没有违背物理学第二定律。

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