麦克斯韦妖：捍卫宇宙生命力的精灵

aHNtCqDM

麦克斯韦妖是在物理学中，假想的能探测并控制单个分子运动的“类人妖”或功能相同的机制，是1871年由19世纪英国物理学家麦克斯韦为了说明违反热力学第二定律的可能性而设想的。麦克斯韦妖又被称为麦克斯韦精灵。

当时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”，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。

热力学第二定律表述为：在孤立系统中，实际发生的过程总是使整个系统的熵增加。在这之后，克劳修斯把孤立体系中的熵增定律扩展到了整个宇宙中，认为在整个宇宙中热量不断地从高温转向低温，直至一个时刻不再有温差，宇宙总熵值达到极大。这时将不再会有任何力量能够使热量发生转移，此即“热寂论”。

为了批驳“热寂论”，麦克斯韦设想了一个无影无形的精灵（麦克斯韦妖）。1871年，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。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。

1961年，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。

兰德尔的实验，为麦克斯韦妖不能实现首次给出了个令人信服的理由。“魔鬼”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。

（原创不易，谢谢打赏。探索宇宙、自然、生命的奥秘。更多资讯敬请关注同名微信公众号：czzhq16。）


本文选自：今日头条

ab从头越

宇宙的发展变化遵循两条基本规律：
物质的惰性（惯量）让自然界自发地向无序混乱的方向变化；物质的意识又让自然界向有序方向发展。这是一对矛盾运动，万事万物均得遵守。在这对矛盾运动中，能量可以转化，有序运动要消耗能量，但总能量保持不变。
早年麦克斯韦为了反驳热力学第二是定律，反对孤立系统会自发地走向无序，曾经设想了一只麦克斯韦妖，这智能妖就可以把无序变为有序，这是暗示了意识在自然变化中的作用，只是他没有明确指出这妖其实就是物质的意识，或者说他当时还没有认识到意识是物质世界的基本属性。
另外麦克斯韦认为麦克斯韦妖把无序变为有序这过程是不用花费能量，这观点是错误的（实验已证明了）。