麥克斯韋妖 - 概述

麥克斯韋妖，是在物理學中假象的能探測并控制單個分子運動的“類人妖”或功能相同的機制，是1871年由19世紀英國物理學家麥克斯韋為了說明違反熱力學第二定律的可能性而設想的。當時麥克斯韋意識到自然界存在著與熵增加相拮抗的能量控制機制。但他無法清晰地說明這種機制。他只能詼諧的假定一種“妖”，能夠按照某種秩序和規(guī)則把作隨機熱運動的微粒分配到一定的相格里。麥克斯韋妖是耗散結(jié)構(gòu)的一個雛形。

麥克斯韋妖 - 研究歷史

1、在19世紀早期，不少人沉迷于一種神秘機械——第一類永動機的制造，因為這種設想中的機械只需要一個初始的力量就可使其運轉(zhuǎn)起來，之后不再需要任何動力和燃料，卻能自動不斷地做功。在熱力學第一定律提出之前，人們一直圍繞著制造永動機的可能性問題展開激烈的討論。

2、直至熱力學第一定律發(fā)現(xiàn)后，第一類永動機的神話才不攻自破。詳細信息熱力學第一定律是能量守恒和轉(zhuǎn)化定律在熱力學上的具體表現(xiàn)，它指明熱是物質(zhì)運動的一種形式。這說明外界傳給物質(zhì)系統(tǒng)的能量(熱量)，等于系統(tǒng)內(nèi)能的增加和系統(tǒng)對外所作功的總和。它否認了能量的無中生有，所以不需要動力和燃料就能做功的第一類永動機就成了天方夜譚式的設想。

3、在熱力學第一定律之后，人們開始考慮熱能轉(zhuǎn)化為功的效率問題。這時又有人設計這樣一種機械——它可以從一個熱源無限地取熱從而做功。這被稱為第二類永動機。1824年法國陸軍工程師卡諾設想了一個既不向外做工又沒有摩擦的理想熱機。通過對熱和功在這個熱機內(nèi)兩個溫度不同的熱源之間的簡單循環(huán)(即卡諾循環(huán))的研究，得出結(jié)論：熱機必須在兩個熱源之間工作，熱機的效率只取決與熱源的溫差，熱機效率即使在理想狀態(tài)下也不可能的達到100%。即熱量不能完全轉(zhuǎn)化為功。

4、1850年，克勞修斯在卡諾的基礎上統(tǒng)一了能量守恒和轉(zhuǎn)化定律與卡諾原理，指出：一個自動運作的機器，不可能把熱從低溫物體移到高溫物體而不發(fā)生任何變化，這就是熱力學第二定律。不久，開爾文又提出：不可能從單一熱源取熱，使之完全變?yōu)橛杏霉Χ划a(chǎn)生其他影響;或不可能用無生命的機器把物質(zhì)的任何部分冷至比周圍最低溫度還低，從而獲得機械功。這就是熱力學第二定律的“開爾文表述”。奧斯特瓦爾德則表述為：第二類永動機不可能制造成功。

5、在提出第二定律的同時，克勞修斯還提出了熵的概念S=Q/T，并將熱力學第二定律表述為：在孤立系統(tǒng)中，實際發(fā)生的過程總是使整個系統(tǒng)的熵增加。但在這之后，克勞修斯錯誤地把孤立體系中的熵增定律擴展到了整個宇宙中，認為在整個宇宙中熱量不斷地從高溫轉(zhuǎn)向低溫，直至一個時刻不再有溫差，宇宙總熵值達到極大。這時將不再會有任何力量能夠使熱量發(fā)生轉(zhuǎn)移，此即“熱寂論”。

麥克斯韋妖 - 提出設想

1、為了批駁“熱寂論”，麥克斯韋設想了一個無影無形的精靈(麥克斯韋妖)，它處在一個盒子中的一道閘門邊，它允許速度快的微粒通過閘門到達盒子的一邊，而允許速度慢的微粒通過閘門到達盒子的另一邊。這樣一段時間后，盒子兩邊產(chǎn)生溫差。麥克斯韋妖其實就是耗散結(jié)構(gòu)的一個雛形。

2、1877年，玻爾茲曼發(fā)現(xiàn)了宏觀的熵與體系的熱力學幾率的關(guān)系S=KlnQ，其中 K為 玻爾茲曼常數(shù)。1906年，能斯特提出當溫度趨近于絕對零度 T→0 時，△S / O = 0 ，即“能斯特熱原理”。普朗克在能斯特研究的基礎上，利用統(tǒng)計理論指出，各種物質(zhì)的完美晶體，在絕對零度時，熵為零(S 0 = 0 )，這就是熱力學第三定律。

3、熱力學三定律統(tǒng)稱為熱力學基本定律，從此熱力學的基礎基本得以完備。

麥克斯韋妖 - 驗證設想

1、日本研究人員在出版的《自然·物理學》網(wǎng)絡版上報告稱，他們在實驗室中讓一個納米小球沿電場制造的“階梯”向上爬動，爬動所需的能量由該粒子在任何給定時間朝哪個方向運動這一信息轉(zhuǎn)化而來，這意味著科學家首次在實驗室實現(xiàn)了信息到能量的轉(zhuǎn)化，驗證了約150年前英國物理學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋提出的“麥克斯韋妖”這一設想。

2、日本中央大學理工學部的鳥谷部祥一和東京大學的佐野雅樹領導的團隊在實驗室讓一個直徑為287納米的聚苯乙烯小球沿電場制造的微小旋轉(zhuǎn)階梯向上爬動，并將小球拍照。小球可以隨機朝任何方向運動，由于向上爬會增加勢能，因此其往下一層的概率更大，如果不人為干擾，小球最終會掉至最底層。在實驗中，當小球沿階梯向上爬一層后，研究人員就使用電場在小球爬上的那層階梯加一面“墻”，讓小球無法回到低的那一層，這樣小球就能一直向上爬。

3、該小球能爬階梯完全由“自己的位置”這一信息所決定，研究人員無需施加任何外力(比如注入新能量等)，僅需一個感應系統(tǒng)(比如攝像機)。另外，他們也能精確地測量出有多少能量由信息轉(zhuǎn)化而來。

麥克斯韋妖 - 實驗證實

1、這是“麥克斯韋妖”第一次在實驗中實現(xiàn)。1871年，麥克斯韋提出了“麥克斯韋妖”設想：一個絕熱容器被分成相等的兩格，中間是由一種機制控制的一扇活板門，容器中的空氣分子做無規(guī)則熱運動時會撞擊門，門則可以選擇性地將速度較快的分子(溫度較高)放入其中一格，將速度較慢的分子(溫度較低)放入另一格，這樣，兩格的溫度就會一高一低。麥克斯韋認為，整個過程中使用的能量就是“分子是熱的還是冷的”這一信息。

2、“麥克斯韋妖”似乎違背了熱力學第二定律，換句話說，這一過程不能毫無能量損耗地分離熱分子和冷分子。后來匈牙利物理學家馮·勞厄指出，該過程沒有違背物理學法則，因為“麥克斯韋妖”實際上必須消耗能量來確定哪個分子是熱的、哪個分子是冷的。而在本次實驗中，損耗的能量是攝像機的能量通過信息這一媒介轉(zhuǎn)換而來。他們認為這完全是一種新機制，并稱之為“信息—熱機制”，這意味著，即使不直接同納米機器接觸，也能夠使用信息作為媒介來轉(zhuǎn)化能量。

3、沒有參與該研究的比利時哈塞爾特大學的克里斯蒂安·凡登布魯克指出，新實驗直接證明了信息可以轉(zhuǎn)化為能量，盡管如此，新技術(shù)仍無法解決人類目前面臨的能源危機。他表示在將信息轉(zhuǎn)化為能量時，真正的能源成本掩藏于外部(包括實驗的操作者)，因此該實驗就如同人們試圖使用原子核聚變來產(chǎn)生能量，其實核反應本身耗費的能源可能更多。

4、 研究人員自己也表示，實驗中的攝像機很笨重，現(xiàn)在的當務之急是找到可自動檢測環(huán)境的顯微技術(shù)，并將采集到的信息轉(zhuǎn)化為能量。