对麦克斯韦妖的看法

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1、对“麦克斯韦妖”的看法詹姆斯·克拉克·麦克斯韦意识到自然界存在着与熵增加相拮抗的能量控制机制，但他无法清晰地说明这种机制，他只能诙谐的假定一种“妖”。1871年，他在《热理论》一书的末章《热力学第二定律的限制》中，设计了一个假想的存在物——“麦克斯韦妖”。麦克斯韦妖有极高的智能，可以追踪每个分子的行踪，并能辨别出它们各自的速度。能够按照某种秩序和规则把作随机热运动的微粒分配到一定的相格里。麦克斯韦妖是耗散结构的一个雏形。在我看来，麦克斯韦妖是麦克斯韦对违反热力学第二定律的可能性的一个解释，这样奇幻的阐述，极具浪漫主义的色彩，作为一个伟大的物理学家，麦克斯韦用理性和感性共同为后人留下

2、了一个不可思议的课题，就像精通诗歌的伟大数学家柯西一样，麦克斯韦拥有一个科学家难得的情怀。从过去到现在关于麦克斯韦妖的实验与争论从未停止。麦克斯韦提出了“麦克斯韦妖”设想：一个绝热容器被分成相等的两格，中间是由一种机制控制的一扇活板门，容器中的空气分子做无规则热运动时会撞击门，门则可以选择性地将速度较快的分子(温度较高)放入其中一格，将速度较慢的分子(温度较低)放入另一格，这样，两格的温度就会一高一低。麦克斯韦认为，整个过程中使用的能量就是“分子是热的还是冷的”这一信息。“麦克斯韦妖”似乎违背了热力学第二定律，换句话说，这一过程不能毫无能量损耗地分离热分子和冷分子。后来匈牙利物理学

3、家冯·劳厄指出，该过程没有违背物理学法则，因为“麦克斯韦妖”实际上必须消耗能量来确定哪个分子是热的、哪个分子是冷的。而在本次实验中，损耗的能量是摄像机的能量通过信息这一媒介转换而来。他们认为这完全是一种新机制，并称之为“信息—热机制”，这意味着，即使不直接同纳米机器接触，也能够使用信息作为媒介来转化能量。IBM物理学家罗夫·兰道尔证明，重置1比特的信息都会释放出热量，也就是说，将计算机中的一个二进制比特位置零，不管初始值为1或0，都会释放出极少的热量，该能量大小即为兰道尔的阈值，与环境温度成比例。麦克斯韦妖需要擦除（或者可以说“遗忘”）过去每次操作先要选择哪个分子的信息，这样的信息

4、擦除会释放出热量，并增加了熵，熵的增量比恶魔为了平衡熵而失去的量还多。兰德尔的实验，蕴含着一个更贴近现实的结论，就是消除1比特散发出热量的限度到底有多么少，累积起来，一台电脑进行比特运算能散发多少热量。鲁兹说，计算机芯片的散热问题是阻碍计算机微型化的一大主要问题。这样的能量损耗正变得越来越少，并在几十年后接近兰德尔所给的阈值。实验清楚明白的告诉我们，能量损耗再低也不能比兰德尔的阈值还低。由此说明“麦克斯韦妖”不存在。但是，日本研究人员在出版的《自然·物理学》网络版上报告称，他们在实验室中让一个纳米小球沿电场制造的“阶梯”向上爬动，爬动所需的能量由该粒子在任何给定时间朝哪个方向运动这

5、一信息转化而来，这意味着科学家首次在实验室实现了信息到能量的转化，验证了约150年前英国物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦提出的“麦克斯韦妖”这一设想。日本中央大学理工学部的鸟谷部祥一和东京大学的佐野雅树领导的团队在实验室让一个直径为287纳米的聚苯乙烯小球沿电场制造的微小旋转阶梯向上爬动，并将小球拍照。小球可以随机朝任何方向运动，由于向上爬会增加势能，因此其往下一层的概率更大，如果不人为干扰，小球最终会掉至最底层。在实验中，当小球沿阶梯向上爬一层后，研究人员就使用电场在小球爬上的那层阶梯加一面“墙”，让小球无法回到低的那一层，这样小球就能一直向上爬。该小球能爬阶梯完全由“自己的位置

6、”这一信息所决定，研究人员无需施加任何外力(比如注入新能量等)，仅需一个感应系统(比如摄像机)。另外，他们也能精确地测量出有多少能量由信息转化而来。从上面两个实验中似乎都无可争辩的说明了麦克斯韦妖存在或者是不存在，这就像当年光是机械波还是粒子的争辩一样。不同的是光既可以是波又可以是粒子，二麦克斯韦妖不可能既存在又不存在。如果说麦克斯韦妖是在特定条件下才存在的话，这又违反了物理现象的普遍性。麦克斯韦妖的存在与否是耐人寻味的，麦克斯韦提出了一个“麦克斯韦妖”，后人为此不断努力探寻其真相。就像“哥德巴赫猜想”和“黎曼猜想”等历史上遗留的问题，它们都是科学历史王冠上的明珠。能解决这样的问题

7、固然是一种荣耀，但是更重要的是提出这样的问题和想法。在我看来，如同麦克斯韦在研究《热寂论》时提出的“麦克斯韦妖”一样，大学生应该培养的正是这样一种学会发现问题的能力。2013年10月12日