深度长文：解读麦克斯韦妖，信息也是物理实体？（建议收藏）

物理学上有四大神兽，分别是芝诺的乌龟，拉普拉斯兽、麦克斯韦妖、薛定谔的猫。之前多次分享过薛定谔的猫，今天继续分享另一大神兽：麦克斯韦妖。

1872年，物理学界大佬麦克斯韦在一本书中提到，有一种生物可能会违反热力学第二定律，具体是怎么回事呢？

让我们设想有一种奇特的生物，暂且叫它“麦克斯韦妖”，这种生物拥有很高的智商，可以精确追踪每个分子的行踪轨迹，能分辨出分子的速度位置等，能够按照某种秩序或者规则把随机运动的分子分配到相应的区域。

现在，假设有这样一个容器，容器被分为A和B两部分，两部分中间有隔板分开，隔板上有一个小洞。由于麦克斯韦妖能精确观测到单个分子的运动速度和位置，所以理论上就可以让运动速度更快的分子从A部分进入到B部分，只需要等到某个速度更快的分子快要到达隔板上的小洞时，马上打开隔板，分子就会从A部分到达B部分。

如此不断进行同样的操作，结果就是B部分的分子运动速度更快，而A部分的分子运动速度更慢，B部分的温度更高，A部分的温度更低。麦克斯韦假设挡板非常轻，对挡板打开过程中的做功可以忽略不计。

这就意味着，麦克斯韦妖在什么都没有做，起码没有做功的情况下，就让热量实现了交换，这明显违反了热力学第二定律，显然是不可能的。

这就是麦克斯韦妖的由来，那么，我们到底该如何诠释麦克斯韦妖违反热力学定律这个矛盾呢？

先从热力学第二定律说起。

热力学定律共有四个，我们比较熟悉的是前三个定律，第四个定律叫做“热力学第零定律”，有兴趣的可以去搜索了解下，这里不再详述了。

第一定律是能量守恒定律，第二定律也被称为“熵增定律”，自然界能量转化都是具有方向性的，不可逆的。第三定律，绝对零度时，所有纯物质的完美晶体的熵值为零。也叫绝对零度。绝对零度实际是无法达到的，只是理论值。

三大定律中，第二定律其实更有趣，能带给我们更深的思考。热力学第二定律通常有两种表述方式。

第一：不可能制造出这样一种热机，只从单一热源吸热对外做功而不产生其他影响。

第二：不可能把热量从低温物体传到高温物体而不产生其他影响，或者说热量不可能自发地从低温物体传到高温物体。

而麦克斯韦妖的操作，明显意味着热能可以额自发地从低温物体转移到高温物体。而且刚才说了，热力学第二定律其实也是“熵增原理”，该原理表明，在一个封闭的系统里，系统总是倾向于从有序到无序，这个过程是不可逆的。

从熵的角度来讲，麦克斯韦妖同样是矛盾的，违反了熵增定律，毕竟速度更快的分子全部到B部分，速度更慢的分子留在A部分，很明显整个系统变得更有序了。

再来说说温度的概念。

提到温度，我们通常会用热或者冷来表述，其中这种表述方式是不严谨的，因为冷热都是相对的，40的天气我们感觉很热，但40度在太阳温度面前又显得太冷了。

物理学上对温度的定义是这样的，用平均动能来表示，通俗理解就是大量分子的平均动能，而不是单个分子的热运动，这里利用的是统计学原理。每个分子都有热运动，但并不是所有的分子都以相同的速度运动。

说完了温度的概念，再回过头来看看麦克斯韦妖这个“恶魔”。为了更好地理解麦克斯韦妖，我们甚至可以把这个恶魔想象成一个尺度非常小的传感器，能精确感应到分子的速度，从而决定是打开挡板还是关闭挡板。

当传感器感应到速度较快的分子时，用红色小点表示这样的分子，就会打开挡板，让分子进入B区域。如果传感器感应到的是速度较慢的分子，就不会打开挡板。如此一来，到最后B区域就只会剩下速度较高的分子，温度自然也会更高。

刚才也说了，这就相当于恶魔没有使用任何能源，就可以把热量从低温物体传递到高温物体。如果真的可以这么做的话，那人类就发达了，意味着彻底的能源自由，说白了就是我们拥有了梦寐以求的永动机，不用再为能源短缺而发愁。

遗憾的是，上面的设想是不可能的，因为违反了热力学第二定律，我们不可能通过这种方式制造出永动机的。

但是，问题还在，我们该如何解释麦克斯韦妖的行为呢？明明违反了热力学第二定律，但看上去确实行得通。麦克斯韦妖这个思想实验到底哪里出了问题呢？

关于麦克斯韦妖这个恶魔，第一个问题是，这个恶魔真的能精确测量出每个分子的速度吗？而且测量的过程真的不消耗任何能量吗？

事实上，能精确测量出每个分子的速度的“恶魔”是不存在的。细心的人可能已经看出来了，在麦克斯韦妖这个思想实验过程中，完全没有谈到恶魔是如何精确测量分子速度的。

而现实情况是，无论恶魔如何测量分子的速度，也就是测量温度，一定会使用能量。而消耗能量就意味着着熵增。

恶魔在处理分子的信息造成的会熵增，远远超过分配粒子的熵减，所以麦克斯韦妖并不违反热力学第二定律。科学家们相信测量信息的过程一定会产生熵，而这时候那个恶魔其实已经死了。

不过匈牙利物理学家希拉德在1929年又让恶魔“复活”了。具体怎么回事呢？他做了一个麦克斯韦妖的升级版实验，也是一个思想实验，构造了一个只需要管理单个分子的简化恶魔系统，也就是单分子引擎。

这个思想实验具体是这样的。

在一个密闭的箱子里有一个分子。妖精通过测量，可以知道分子到底是在左边还是右边。如果在左边，就在箱子的左边安装一个挡板，挡板上系上一根绳子绑上重锤，就是一个简易的活塞系统。

由于那个分子在左边，势必会向右移动，这样就会推动活塞运动。最后，把挡板拆掉，系统又恢复到原有状态。整个过程中，相当于单个分子可以自发地提取一些热能并将其转化为等量的功。

如果不考虑妖精的测量过程，如此模型完全就是第二类永动机，也就是违反热力学第二定律的永动机，熵可以自发地减少。当然这是不可能的。

希拉德认为，温度就出在妖精的“测量”上，妖精要想获得分子的信息，就必须测量。而获取信息是要付出代价的，这种代价就会使得周围环境的熵增加。系统看起来的“熵”的减小，其实来自妖精测量过程中“信息熵”的增加。

也就是说，整体来看，系统的熵仍然是增加的，同样没有违反热力学第二定律。

希拉德的观点第一次让人类认识到了“信息熵”的概念，而大约20年之后，香农在1948年才首次提出了信息论，希拉德在大约20年前就有了类似的思想，虽然有些模糊，但确实让我们认识到了信息的物理本质，首次将信息与能量消耗联系起来。

随着时间的推移，到了1961年，物理学家兰道尔提出了兰道尔原理：计算机在删除信息的过程中会对环境释放出极少的热量，必然有电能转换成了热能被释放到环境中，这也是我们的电脑不断发热的原因，该热量的数值与环境温度成正比，删除信息的过程电能转变成热能是不可逆的热力学过程，因此计算机通过计算而散发热量的过程也是不可逆的。

也就是说，在我们删除信息时，热能就产生了。比如说，我们经常会删除手机电脑里没有的图片，视频或者其他文件，以为这样做不会对手机电脑有任何影响，其实不然，删除的过程同样会产生热能。

随着人类对信息的研究不断深入，科学家坚信：信息也是一种物理实体。这种观点其实完全违反了我们的直觉和日常生活经验，即便是实体，我们也会认为信息是抽象的实体，怎么可能是物理实体呢？

比如说，电脑里的信息本质上就是0和1组成的一连串虚拟代码，怎么会是物理实体呢？电脑的机箱，主板，电源，硬盘等都是物理实体，这很好理解，信息为什么也是物理实体呢？

科学家们的解释是，信息确实是物理的，因为信息总是要储存在某个物理介质中，而且会受到物理介质的束缚。不管我们把信息储存在硬盘还是一张纸上，物理定律都控制着这些设备的特性，同时也会限制人类处理信息的能力。信息本身的表现就像熵那样，会受到物理定律的支配，也是一种物理量。

虽然以上所讨论的基本都停留在理论层面，但事实上科学家早就通过实验证明了这点，日本科学家早在十几年前就做到了“从信息中获取能量”的壮举。

以上就是麦克斯韦妖，以及它给物理学界带来的巨大影响。想当初，麦克斯韦本人可定想不到他简单的一个思想实验，竟然能对人类理解熵和信息的本质产生如此大的影响。麦克斯韦提出这个思想实验的目的其实很简单，就是为了诠释热力学中的统计属性，但谁也没想到就是这么一个“恶魔”，竟然困扰了物理学界一百多年，但同时也推动了信息理论的发展。

这就有点像薛定谔提出的思想实验“薛定谔的猫”，也大大推动了量子力学的发展，让普通的吃瓜群众也了解了量子世界有多么神奇！