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薛定谔的猫令人崩溃，但谁能简单讲明白麦克斯韦妖的恐怖呢？

麦克斯韦,分子,摄氏度薛定谔的猫令人崩溃，但谁能简单讲明白麦克斯韦妖的恐怖呢？

发布时间：2016-12-08加入收藏来源：互联网点击：

问题补充： 使系统熵倒流能否发生？

回答于 2019-09-11 08:43:50

回答于 2019-09-11 08:43:50

薛定谔的猫令人崩溃，但谁能简单讲明白麦克斯韦妖的恐怖呢？

“薛定谔的猫”既是死的又是活的，这确实令人崩溃，但事实上，这就是薛定谔当年提出这个思想实验想要达到的目的。薛定谔试图以这只“既死又活”的猫让人们明白，量子力学中的“叠加态”是多么的荒谬，然而时至今日，薛定谔的猫俨然成为了量子力学的代名词，这是薛定谔万万没有想到的。

物理学中有四大神兽，分别为“芝诺龟”、“拉普拉斯妖”、“麦克斯韦妖”以及“薛定谔的猫”，可以看到“麦克斯韦妖”与“薛定谔的猫”齐名，那么“麦克斯韦妖”有何恐怖之处呢？答案是“麦克斯韦妖”根本就不恐怖，与之相反，它是一只“好妖”。下面我们来具体讲一下。


先简单介绍一下麦克斯韦（James Clerk Maxwell），他在物理学上的成就可以比肩牛顿，当年的牛顿统一了天上和地下，而麦克斯韦统一了电磁领域，这两人的成就交相辉映，成就了一个堪称完美的经典物理学时代。好的，现在我们进入正题。

空气的温度本质上是空气分子热运动的激烈程度，这是一种具有统计意义的物理量，当我们说一个封闭容器里的空气温度时，其实指的是这个容器里空气分子热运动的平均速度，实际上对于这个容器里的每一个空气分子而言，它们的速度是不一致的，也就是说它们有的快有的慢。


麦克斯韦指出，假设将一个充满空气的封闭容器分成两个区域（A区和B区），并在分界线设置一个一次只能让一个空气分子通过的“小门”，再假设这道“小门”有一个生物，这个生物就是所谓的“麦克斯韦妖”，它的本领是能分辨单个空气分子的快慢程度，并且还能极快地打开或者关闭这道“小门”。

“麦克斯韦妖”要做的事就是，当“小门”A侧的某个较快的分子接近“小门”时，它就打开“小门”让这个快分子移动到B，而当“小门”A侧的某个较慢的分子接近“小门”时，则关闭“小门”不允许这个慢分子通过，对于“小门”B侧的空气分子，“麦克斯韦妖”却反其道而行之。

我们可以看到，在“麦克斯韦妖”的干预下，这个封闭容器最终会形成一个A区空气的温度比B区低的结果。看到这里，可能有人会说了，这个“麦克斯韦妖”的本领似乎并没有什么大不了的，然而事实却是，如果真有“麦克斯韦妖”，它将会拯救整个宇宙，这是怎么回事呢？我们接着看。


“熵”的概念是热力学的主要奠基人克劳修斯（Rudolf Julius Emanuel Clausius）在热力学第二定律的基础上提出来的，简单地讲，“熵”就是指一个系统内部的混乱程度，某个特定的系统内部的混乱程度越高，“熵”就越高，反之亦然。

克劳修斯指出，在一个孤立系统中，其实际发生的过程总是会令这个系统的“熵”增加，而对于整个宇宙而言也是这样。随着宇宙“熵增”的过程，所有的运动如物理、化学、机械、生命等等都将慢慢地转变成热运动，当宇宙的“熵”达到最大的时候，宇宙中的温度将处处相等，整个宇宙将会一片死寂，再也不会出现任何的变化。

（上图为克劳修斯）

这就是著名的“宇宙热寂论”，这个理论告诉我们，在遥远的未来，宇宙将会是这样一种令人悲伤的结局，由于有着热力学定律的支持，该理论得到了很多科学家的认同。

通过前面的介绍，我们知道了“麦克斯韦妖”能够按空气分子的热运动速度，将混乱的空气分子自动划分成两个温度不同的区域，其本质就是将一个孤立的系统变得更加有序，也就是说“麦克斯韦妖”所做的事情其实就是这个特定系统的“熵减”过程，它可以有效地避免一个孤立的系统最终变成一潭死水。如果将“麦克斯韦妖”扩大宇宙的层面，那么整个宇宙就不会像“宇宙热寂论”所预言的那样走向终点，从而得到了拯救。

需要注意的是，绝大多数科学家们都认为“麦克斯韦妖”是不存在的，原因很简单，“麦克斯韦妖”违背了热力学第二定律，如果真有“麦克斯韦妖”，那就可以做出第二类永动机，而事实上第二类永动机是不可能实现的。然而“麦克斯韦妖”看上去却似乎无懈可击，那么问题出在哪呢？


也许有人会说，“麦克斯韦妖”在开关“小门”的时候会消耗能量，这无疑增加了系统的“熵”，但理论上来讲，“麦克斯韦妖”开门“小门”时所需的能量可以非常小，小到几乎可以忽略不计，因此这种说法不足以反驳“麦克斯韦妖”。

事实上，在1871年麦克斯韦提出这个假设之后的很长一段时间里，科学家们都为此困惑不已，直到20世纪中叶“信息熵”的概念提出之后，“麦克斯韦妖”才得到了合理的解释。

该理论认为，信息就是“负熵”，想要获得信息，就必须产生额外的“熵”，“麦克斯韦妖”依靠信息来干预系统，如果要获取信息，就必须要利用某种方式来完成（比如说利用与环境温度不同光来照亮空气分子），很明显这是要消耗能量的，这就说明了在获取信息的过程中，“麦克斯韦妖”让这个系统的“熵”增加了，而这个增加的“熵”是永远不会低于“麦克斯韦妖”在这个系统中减少的熵的。

值得一提的是，虽然孤立系统中的“麦克斯韦妖”已被科学界主流认定为不可能存在的，但是还是有一些科学家对此大感兴趣，2007年2月还有科学家提出一种“人造麦克斯韦妖”，试图利用“信息擒纵阀”来实现孤立系统“熵减”的过程，但由于受困于能量源的问题，这个“人造麦克斯韦妖”最终没有成功。

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回答于 2019-09-11 08:43:50

首先麦克斯韦是20世纪最伟大的科学家之一，他的麦克斯韦方程组是被誉为最美的物理公式，这个麦克斯韦方程组把电和磁给统一了，这个的统一已经把物理学推向了一个高度！那么他提出的这个妖那就肯定不简单，看上去似乎是违反了热力学第二定律！如果是那么让我们所理解，那么就不会说是物理学上四大神兽了！

其次热力学第二定律已经被很多科学家认可和很多实验验证了它的正确性！高温物体会自发的把热量传递给低温物体，而低温物体不可能自发的把热量传递给高温物体而不引起其他变化，也叫熵增定律！温度是分子热运动的表现，分子运动越快温度就越高，分子运动越慢那么温度就越低，当分子不运动时，温度就是绝对零度，而分子是不可能不运动的，所以绝对零度是不可能达到的。一个温度体现出来是分子平均运动的动能，40摄氏度的水里既有运动的比平均运动快，也有运动的比平均运动慢的。

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