麦克斯韦妖说起

赖仲达《熵——从麦克斯韦妖说起》
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                         熵———从麦克斯韦妖说起

                              ·赖仲达·

    有这么一只小妖精，它总是躲在盒子里，不与外界发生任何能量交换。然而就是
这么一只小妖精，却差点毁掉了热力学定律。它，就是大名鼎鼎的麦克斯韦妖。

    首先我们知道，不可逆过程都遵循熵增加原理：宇宙中任何一个孤立系统中的不
可逆过程熵都无序的增加，例如在一个孤立系统中，如果把一个柿子打碎，它是不可
能自发的恢复原样的，我们说此时柿子的无序程度增加，根据波尔兹曼的理论，熵的
值应该和柿子的微观状态数成比例。热力学第二定律同样所述：例如热能量只能够自
发的从热体转到冷体，导致冰从低熵转到高熵。这表明了熵的增加是有方向的。

    然而如果考虑这个思想，物理学家波尔兹曼就提出：整个宇宙的熵会越来越大，
最后会使宇宙所有物体不再有温差，达到一种“热寂”状态。这种思想被称作热寂说，
在当时引起了詹姆斯·克拉克·麦克斯韦的不满，他为了反驳这个理论，提出了一个
耗散结构模型：设计一个密封盒子，盒子分为两部分，分别是热空气与冷空气。我们
知道，热和冷对应的就是空气分子运动速率的不同，考虑到这个思想，麦克斯韦决定
在盒子里面装上一个小妖精。

    假设盒子内部存在一个妖精，它有非常灵敏的目光，能够看清楚每一个空气分子
的速度；我们所知，热对于一个空间而言，他只是一个整个空气分子的平均动能较大，
而并非意味着个体分子的动能——这就意味着热空气部分中，也存在运动速度较为缓
慢的分子。在两部分的分割板中，有一个小阀门，麦克斯韦妖这时在热空气中发现了
一个运动速度较为缓慢的热空气分子，这就意味着这个分子比较“冷”——好——它
迅速把这个分子抓到“冷空气”里。反之，如果麦克斯韦妖发现了冷空气中有几个分
子运动速度较快，它也会通过这个小阀门把这几个分子抓到热空气里。这样，在没有
任何外界能量交换的情况下，这两部分空气的温差越来越大。

    这个问题着实让物理学家犯难了，因为它的的确确违反了热力学定律。直到上个
世纪，这个问题才有了突破。

    1948年，科学家克劳德·艾尔伍德·香农首次提出，信息也具有无序度的情况，
我们说熵的东西。换句话说，香农通过分析得出，我们宇宙中的信息也是一种熵，信
息越多，表示熵越小，很显然，它是负熵。麦克斯韦妖所呆的拿个盒子是孤立系统，
按理这种不可逆过程的熵会增大，然而麦克斯韦妖知道任何粒子的速度信息，这说明
它给这个盒子带入了负熵，保持总熵平衡，很显然，一个能量平衡的孤立系统中就可
以实现温差增大的情况了。

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