麥克斯韋妖 - 概述

麥克斯韋妖，是在物理學(xué)中假象的能探測并控制單個分子運(yùn)動的“類人妖”或功能相同的機(jī)制，是1871年由19世紀(jì)英國物理學(xué)家麥克斯韋為了說明違反熱力學(xué)第二定律的可能性而設(shè)想的。當(dāng)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(jī)制。但他無法清晰地說明這種機(jī)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(jī)熱運(yùn)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(jì)早期，不少人沉迷于一種神秘機(jī)械——第一類永動機(jī)的制造，因?yàn)檫@種設(shè)想中的機(jī)械只需要一個初始的力量就可使其運(yùn)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(xué)第一定律提出之前，人們一直圍繞著制造永動機(jī)的可能性問題展開激烈的討論。

2、直至熱力學(xué)第一定律發(fā)現(xiàn)后，第一類永動機(jī)的神話才不攻自破。詳細(xì)信息熱力學(xué)第一定律是能量守恒和轉(zhuǎn)化定律在熱力學(xué)上的具體表現(xiàn)，它指明熱是物質(zhì)運(yùn)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(rèn)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(jī)就成了天方夜譚式的設(shè)想。

3、在熱力學(xué)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(shè)計(jì)這樣一種機(jī)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(jī)。1824年法國陸軍工程師卡諾設(shè)想了一個既不向外做工又沒有摩擦的理想熱機(jī)。通過對熱和功在這個熱機(jī)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(jī)必須在兩個熱源之間工作，熱機(jī)的效率只取決與熱源的溫差，熱機(jī)效率即使在理想狀態(tài)下也不可能的達(dá)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(chǔ)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(yùn)作的機(jī)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(xué)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(jī)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(jī)械功。這就是熱力學(xué)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(jī)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(xué)第二定律表述為：在孤立系統(tǒng)中，實(shí)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(kuò)展到了整個宇宙中，認(rèn)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(dá)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(shè)想

1、為了批駁“熱寂論”，麥克斯韋設(shè)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(dá)盒子的一邊，而允許速度慢的微粒通過閘門到達(dá)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(shí)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(xué)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(dāng)溫度趨近于絕對零度 T→0 時，△S / O = 0 ，即“能斯特?zé)嵩怼?。普朗克在能斯特研究的基礎(chǔ)上，利用統(tǒng)計(jì)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(xué)第三定律。

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

麥克斯韋妖 - 驗(yàn)證設(shè)想

1、日本研究人員在出版的《自然·物理學(xué)》網(wǎng)絡(luò)版上報告稱，他們在實(shí)驗(yàn)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(yùn)動這一信息轉(zhuǎn)化而來，這意味著科學(xué)家首次在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了信息到能量的轉(zhuǎn)化，驗(yàn)證了約150年前英國物理學(xué)家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋提出的“麥克斯韋妖”這一設(shè)想。

2、日本中央大學(xué)理工學(xué)部的鳥谷部祥一和東京大學(xué)的佐野雅樹領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)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(jī)朝任何方向運(yùn)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(shí)驗(yàn)中，當(dāng)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(yīng)系統(tǒng)(比如攝像機(jī))。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(shí)驗(yàn)證實(shí)

1、這是“麥克斯韋妖”第一次在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)。1871年，麥克斯韋提出了“麥克斯韋妖”設(shè)想：一個絕熱容器被分成相等的兩格，中間是由一種機(jī)制控制的一扇活板門，容器中的空氣分子做無規(guī)則熱運(yùn)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(rèn)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(xué)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(xué)家馮·勞厄指出，該過程沒有違背物理學(xué)法則，因?yàn)椤胞溈怂鬼f妖”實(shí)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(shí)驗(yàn)中，損耗的能量是攝像機(jī)的能量通過信息這一媒介轉(zhuǎn)換而來。他們認(rèn)為這完全是一種新機(jī)制，并稱之為“信息—熱機(jī)制”，這意味著，即使不直接同納米機(jī)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(xué)的克里斯蒂安·凡登布魯克指出，新實(shí)驗(yàn)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(jī)。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(shí)驗(yàn)的操作者)，因此該實(shí)驗(yàn)就如同人們試圖使用原子核聚變來產(chǎn)生能量，其實(shí)核反應(yīng)本身耗費(fèi)的能源可能更多。

4、 研究人員自己也表示，實(shí)驗(yàn)中的攝像機(jī)很笨重，現(xiàn)在的當(dāng)務(wù)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。