麦克斯韦放出的麦克斯韦妖,纠缠了物理学家快要150年

假如要评选全世界最巨大的两位物理学家,那么牛顿爱因斯坦将毫无疑问进选,一小我构建了宏不雅世界的力学系统,一位带我们进进了微不雅世界,摸索这茫茫宇宙。而衔接这两位的,毫无疑问是麦克斯韦,他是旧时期的终结者,也是新时期的首创者。

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他树立的电磁场理论,将电学、磁学、光学同一起来,是19世纪物理学成长的最辉煌的结果,也是物理史上的第一次年夜一统,可以说没有麦克斯韦,就没有现代文明。

据说剑桥某位物理学家有一次奉承爱因斯坦说:“你站在了牛顿的肩上”,爱因斯坦却答复:不,我是站在麦克斯韦的肩上!

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爱因斯坦平生的科研之路简直是在走麦克斯韦未走完的路,狭义相对论显然是为懂得决麦克斯韦电磁理论与经典力学的抵触才得以树立的,而广义相对论则是前面思惟之延续。而其耗尽半生精神研讨的同一场论,也是以同一引力场和电磁场为目的,实现物理史的第二次年夜一统。

麦克斯韦方程可以说是浓缩了麦克斯韦的终生结果,让无数物理学家前仆后继往研讨,但除了麦克斯韦方程之外,麦克斯韦放出的麦克斯韦妖,也整整纠缠了物理学家一个多世纪。

1842年,J.迈尔提出了能量守恒理论,认定热是能的一种情势,可与机械能互相转化,而且从空气的定压比热容与定容比热容之差盘算出热量以卡为单元时与功的单元之间的数目关系量(简称热功当量),现代热力学开端萌芽。

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而到了 1850 年克劳修斯提出了热力学第二定律,为现代热力学奠基了基本。

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1865年,热力学奠定人之一克劳修斯把熵增道理(熵增道理是热力学第二定律的又一种表述)利用于无穷宇宙中而提出“热寂说”,熵增道理就是孤立热力学体系的熵不削减,老是增年夜或者不变。用来给出一个孤立体系的演变标的目的。阐明一个孤立体系不成能朝低熵的状况成长即不会变得有序。(孤立系统是指:体系与情况之间既无物资交流,又无能量交流,故称为孤立系统)

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在这里面,克劳修斯提出了一个很主要的概念—熵,最初是用来描写“能量退化”的物资状况参数之一,在那时熵仅仅是一个可以经由过程热量转变来测定的物理量。

热寂说将熵增道理扩展到全部宇宙,将全部宇宙当成一个孤立体系,以为宇宙的熵会趋势极年夜,终极到达热均衡状况,即宇宙每个处所的温度都相等。

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这一推论是否准确,引起了科学界和哲学界一百多年连续不竭的争辩。因为涉及到宇宙将来、人类命运等重年夜题目,因而它所波及和影响的范畴已经远远超越了科学界和哲学界,成了近代史上一桩最令人烦恼的文化疑案。

可是克劳修斯的热寂说带给人们的忧?还不止于此,他还放出了麦克斯韦妖。

麦克斯韦一向致力于将统计力学与热力学相联合,是统计热力学的前驱,他以为,第二定律描写的不是单个分子的活动行动,而是大批分子表示的统计纪律。对统计纪律而言,热量只能从温度高的流向温度低的,可是就个体分子而言,温度低的区域的快分子完整可能自觉地跑向温度高的区域。(也就是说第二定律应当描写的是整体的纪律,好比说我们班整体很优良,可是总回有一两个成就不太好,所以麦克斯韦以为第二定律只是大批分子表示的统计纪律,仍是有个体分子不遵照这个纪律)

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为此,麦克斯韦提出了麦克斯韦散布,在某一时刻,某一特定分子的速度巨细是不成预知的,且活动标的目的也是随机的。但在必定的宏不雅前提下,对大批气体分子而言,它们的速度散布却服从必定的统计纪律。麦克斯韦在1859年用概率论证实了在均衡态下,幻想气体分子的速度散布是有纪律的,这个纪律称为麦克斯韦速度散布律,并给出了它的散布函数表达式。

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所以麦克斯韦在听到热寂说之后,当即脑洞年夜开,起首从概率统计的角度当真思虑这个假说,意识到对于宇宙这种“开放体系”来说,必定存在某种机制,使得在某种前提下,会存在貌似“违背了”热力学第二定律的情形。

1871年,他在《热理论》一书的末章《热力学第二定律的限制》中,设计了一个设想的存在物,即有名的“麦克斯韦妖” (Maxwells demon)。

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在麦克斯韦构思中,麦克斯韦妖有极高的智能,可以追踪每个分子的行踪,并能分辨出它们各自的速度。这个幻想试验如下:

“我们知道,在一个温度平均的布满空气的容器里的分子,其活动速度决不平均,然而肆意拔取的任何大批分子的均匀速度几乎是完整平均的。此刻让我们假定把如许一个容器分为两部门,A和B,在分界上有一个小孔,在假想一个能见到单个分子的存在物,打开或封闭阿谁小孔,使得只有快分子从A跑向B,而慢分子从B跑向A。如许,它就在不用耗功的情形下,B的温度进步,A的温度下降,从而与热力学第二定律产生了抵触”。

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而这个存在物就是“麦克斯韦妖”,小妖精把握和把持着高温体系和低温体系之间的分子通道。它应用了分子活动速度的统计散布性质。由于依据麦克斯韦散布,即使是低温区,也有不少高速分子,高温的体系中也有低速度的分子,经由过程如许一个可以或许把持分子活动的小妖精,在两体系的中心设置一个门,只答应快分子从低温往高温活动,慢分子则从高温往低温活动,在“小妖”的这种治理方法下,双方的温差会逐渐加年夜,高温区的温度会越来越高,低温区的温度越来越低。

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麦克斯韦以为,只有当我们可以或许处置的只是年夜块的物体而无法看出或处置借以组成物体分别的分子时,热力学第二定律才是准确的,并由此提出应该对热力学第二定律的利用范畴加以限制。

也就是麦克斯韦热力学第二定律只实用于宏不雅世界,而不实用于微不雅世界。汗青地看,麦克斯韦在1867年第一次提出麦克斯韦妖时说:“这证实第二定律只具有统计简直定性”,此言表白麦克斯韦是想借此来阐明熵增添道理是体系的统计纪律。

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当然了,麦克斯韦当初不经意放出来的小妖精,却纠缠了物理学家一百多年,毕竟会不会存在如许的小妖呢?使得简直在某种前提下,存在违反热力学第二定律的情形。

由于假如麦克斯韦小妖真的存在的话,那么我们就有可能造出违背热力学第二定律的第二类永念头。

由于假如可以把高温顺低温分子聚集当成两个热源,并且在它们之间放置一个热机,让热机应用温差对外做功。综合来看,因为麦克斯韦妖的引进,我们可以从单一热源吸热,并把它完整转化为对外做功,不斟酌小妖精的丈量进程,这个模子就像是一个违反第二定律的永念头,使得熵削减的永念头。

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所以物理学家一向想证实麦克斯韦妖的存在!

1929 年匈牙利物理学家利奥·希拉德在研讨麦克斯韦妖的时辰,将麦克斯韦的设计计划简化,构建了一个单分子版的试验模子。

希拉德初次将信息的概念引进到热力学轮回中。小妖精进行丈量的目标是为了获得信息,从而知道分子是处于左边还说右边,而在这个获守信息的进程中会耗费能量,从而导致整体的熵的增添。假如把这个后果包括到热力学轮回中来,热力学第二定律就不会被违背,那么麦克斯韦妖就被斩杀了!

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希拉德第一次熟悉到信息的物理实质,将信息与能量耗费接洽起来。可以说为后来的新闻论奠基了基本。

在 1961 年,美国IBM的物理学家罗夫·兰道尔提出并证实了提出了一个有名的把信息理论和物理学的基础题目接洽起来的定理——兰道尔道理,这个道理就是:擦除1比特的信息将会导致kB ln 2的热量的耗散。

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这个道理也说明了我们的电脑为什么会不竭发烧,好比我们删除了电脑里存储的一段材料,假设一个随机二元变量的熵是1比特,具有固定命值时的熵为0,打消信息的成果使得这个2元体系的熵从0增添到1比特,必定有电能转换成了热能被开释到情况中,所以我们的电脑不竭发烧。

兰道的同事贝内特灵敏地发明这个道理可以实用于“麦克斯韦妖”身上,他颠末不竭研讨,在1982年的论文里表现:不耗散能量的“麦克斯韦妖”不存在,而且,这种耗散是产生在“妖”对上一个判定“记忆”的打消进程中,“遗忘”须要以耗费能量为价格,这个进程是逻辑不成逆的。

而2003年,贝内特更是总结道: 任何逻辑上不成逆的信息把持进程,例如擦除1比特的信息,或者是归并两条盘算路径,必定随同着外部情况或者是信息存储载体以外的自由度的熵增。

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近年来,良多物理学家试牟利用一个具体的物理模子来模仿有麦克斯韦妖介入的热力学轮回,而且用直不雅的方法演示麦克斯韦妖的信息擦除进程,以及阐明:当信息擦除被包括到热力学轮回中来的时辰热力学第二定律就不会被违背,不然就会呈现“麦克斯韦妖”。

M. O. Scully等人2005年的工作。他们给出了一个有麦克斯韦妖介入的热力学轮回的例子。经由过程这个例子,他们演示了:假如把归并两条盘算路径 导致的熵增斟酌到热力学轮回中来,就不会有热力学第二定律被违背的情形,不然就会呈现麦克斯韦妖佯谬。

还有斯丁德州年夜学的Mark Raizen小组,他们应用激光将原子密闭于磁性陷阱中,原子受到的均匀势场,即所谓光学势,充任麦克斯韦妖的脚色,以把持原子的移动标的目的,对冷原子和热原子进行排序。

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科学家们经由过程不竭实验,得出告终论,假如是在一个孤立体系中,“麦克斯韦妖”将不存在,而热力学第二定律的威望仍在。可是一旦孤立体系被打破,那么“麦克斯韦妖”将会呈现,由于“麦克斯韦妖”会经由过程其他道路将信息转化为能量,不外孤立体系都被打破了,热力学第二定律也就不复存在了。

时至本日,科学家依然不敢说彻底斩杀了“麦克斯韦妖”,可是可以断定地说,兰道尔已经彻底将“麦克斯韦妖”从热力学第二定律中驱赶了出往。

“麦克斯韦妖”的摸索实在也就是人类对于能量与信息之间的实质关系的摸索,同时也是人类对于漫漫宇宙的思虑,那就是在浩渺宇宙,会不会存在如许的一个处所,违反人类认知中的所有规矩与定律,仍是全部宇宙就是一个超年夜的孤立体系,就是完完整全依照其已经存在的法例运行。

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