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本文在性质上是一篇随笔，如果你发现又什么地方写得不妥，留言在评论里好了。 每当有“硬科幻”题材的电影热映，较真科学的观众和沉迷幻想的观众就一定会吵起来，争执那些不符合科学规律的细节究竟是创作的失败还是艺术的必须，然后一定会有人愤慨地诘问这样一句话：既然这么严格，那为什么不让科学家写科幻算了呢？  这张图用来蹭过时的热点 提起此事并不是要给争吵中的哪一方助阵，但这个诘问的确没有看上去那样理所当然：科学家不是小说创作的理想群体，乃是因为他们通常没有接受过系统的写作训练，不擅长讲故事，而不是因为科研生活使他们变得机械刻板，缺乏想象力。 恰恰相反，科学使人站在认知与未知的边界上，富有创造性的想象是他们必不可少的素养，历史上那些最杰出的科学家因此提出的天马行空的奇妙幻想，恐怕比最硬的硬科幻都更加耐人寻味，而其他科学家在找“硬伤”中发挥的聪明才智也同样结出了累累硕果，给我们带来许多重要的启示。  可以认为相对论始于爱因斯坦一个最奇妙的幻想：如果一个人追着一束光跑，会发现什么？ 比如说在过去的150年里，物理学家们一直都在思考一个装在瓶子里的小妖精，发挥各自领域内的聪明才智在他身上挑错，以保卫物理学最重要的基本定律——这都是因为1867年，麦克斯韦针对刚刚确立的热力学第二定律[1]，构想了一个“麦克斯韦妖”的离奇设定： 有那么一个本领高强的小妖精，能侦测到每一个分子的速度，现在将它装进一个特制的瓶子里。这个瓶子内部充满了某种气体单质，被一道隔板分成了左右两边，使瓶子的左右两边没有任何物质能量交换，当然，瓶子与外界也同样没有任何物质能量交换。  没有更好看的图了 隔板上还有一个只容一个气体分子通过的小孔。那个小妖精就把守在小孔上，每当速度快的气体分子要到右边去，或者速度慢的气体分子要到左边去，他都会放行，反之，他就封住小孔禁止分子通过。久而久之，左边气体分子的平均速度就会明显低于右边气体分子的平均速度。 我们知道，微观上的分子平均动能体现在宏观上就是温度，那么小妖精的行为将使瓶子左边的气体越来越冷，右边的气体越来越热，而他自己只负责把守通道而已，不受任何影响。考虑到这个瓶子与外界没有任何物质能量交换，所以瓶中的热量从低温物体传递给高温物体的同时没有带来任何其它变化，这彻底违背了热力学第二定律。  热力学第二定律的克劳修斯表述，1850年 更重要的是，小妖精在这整个过程中除了把自己缩小以外并未动用过任何超自然力量，他对气体分子所做的一切在原则上并没有超出人类能力之外，那么我们完全可以设想未来的人类真的可以制造一台“分子速度筛选机”，放进瓶子里也能达到同样的效果——那么这样一来，热力学第二定律岂不是被推翻了，第二类永动机岂不就可以做出来了？  斯特林发动机在一个热源和一个冷源之间工作，如果有麦克斯韦妖，它就是永动机 150年后的我们当然知道热力学第二定律经受住了考验——否则这个定律早就不存在了——所以必然是麦克斯韦妖的离奇设想里存在着什么“硬伤”，但寻找这个硬伤的过程同样是一波三折。
如今最广为人知的反驳出现在1929年。匈牙利的犹太物理学家利奥·西拉德[2]正与他的导师爱因斯坦一起研发“爱因斯坦冷却机”，期间提出了小妖精要比较气体分子运动快慢，就必须测量分子的速度，测量就必将消耗能量，而这些消耗掉的能量总得有个去向，不会不带来其它影响——这种反驳在未来的“分子速度筛选机”上体现得更加明显：机器会在工作的时候发热，不可能没有变化。  爱因斯坦与利奥·西拉德写信给罗斯福总统警告纳粹可能在研发核武器 接着是1956年，IBM的美籍法裔物理学家莱昂·布里渊[3]是个雷达专家，他进一步明确了这一反驳：瓶子既然与外界没有任何物质能量交换，里面就是一团漆黑。小妖精要测量气体分子的速度，就必须设法以某种方式与分子相互作用，比如像雷达用无线电波侦测飞机一样，向那些分子发射光子[4]，但与笨重的飞机不同，气体分子太小了，很容易被光子携带的能量改变状态，结果小妖精一边在辛辛苦苦地筛选分子，另一边却把正在筛选的分子搅得更乱了[5]——这就像用脏水洗衣服一样糟糕。 不过，如果保证每次用的脏水都比衣服干净一点，多洗几次总还是能把衣服洗干净的——这就是布里渊工作的关键了：他比较了小妖精在分子筛选时更有效，还是在搅乱分子时更有效，答案遗憾地是后者。也就是说，麦克斯韦妖辛苦工作的总成就非但不能增加瓶子两边的温差，反而会均匀提高瓶中气体的温度，这是热力学第二定律最钟意的结果。  1927年的索尔维会议参与者合影，莱昂·布里渊是最后一排最右边那个 到此为止，麦克斯韦妖的问题似乎已经得到了妥善的解决，但事情很快就有了重大的转折： iiiiiiiiii [1] 热力学第二定律由克劳修斯确立于1850年。 [2] 利奥·西拉德（Leó Szilárd，1898－1964），爱因斯坦的学生，曼哈顿计划的促成者之一，自己虽然没有直接获得过诺贝尔物理奖，但他构想的电子显微镜和粒子加速器被他人落实后成就了两项诺奖。 [3] 莱昂·尼古拉·布里渊（Léon Nicolas Brillouin，1889－1969），法国物理学家，贡献领域包括量子力学、大气中无线电波传递、固态物理以及信息论。 [4] 这个雷达的比喻是本文为了方便读者理解而作，并非布里渊自己的措辞。 [5] 没错，这是量子力学中测不准原理的一个应用——在布里渊的时代，量子力学已经建立起来了。 |
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