怎樣通俗地解釋一物理學中的「麥克斯韋妖」?

未來探索菌


麥克斯韋妖大概是這樣一個意思:假設有兩個廁所,一個是男廁所,還有一個是女廁所。現在過來了1000個盲人,這些盲人有男有女,但看不見廁所的標誌。於是,這就需要一個麥克斯韋妖來給他們做指引,女盲人去女廁所,男盲人去男廁所。

然後呢?

以前的人覺得,這個麥克斯韋妖不需要消耗能量,因為給盲人指路那是做好事,是不需要花錢的。但實際上不是這樣的,其實這個麥克斯韋妖必須消耗能量,才能完成這個指路的工作。也就是說,我們應該付給這個麥克斯韋妖工資。

麥克斯韋妖做了什麼呢?因為它必須判斷這個人是男人還是女人,這是需要觀察的,比如看胸部,看喉結。這些觀測得到的是信息,這些信息的獲得是要消耗能量的。在計算機科學中有一個定理,說的是獲得1比特的信息,需要消耗kTln 2的能量,在這裡k是玻耳茲曼常數,T是環境溫度,ln是對數。因此,在我說的這個廁所指路的案例中,判斷一個人是男是女,其實就是1比特的信息,因此這個麥克斯韋妖一共消耗了1000kTln 2的能量。


瀟軒


答:麥克斯韋妖的經典描述,本來就通俗易懂。


英國大物理學家麥克斯韋,是統計力學的奠基人之一。在1871年,麥克斯韋針對熱力學的不完備性(主要針對熱力學第二定律),提出了著名的麥克斯韋妖。




描述到:在兩個封閉的系統內,通過一道門控制兩個系統中分子的進出,是否允許分子通過,由一個特殊裝置控制,這個裝置的特點是:

(1)允許快分子從左方進入右方,但不允許快分子從右方進入左方;

(2)允許慢分子從右方進入左方,但不允許慢中子從左方進入右方;



其中的“特殊裝置”,就被後世稱作“麥克斯韋妖”。

該思想實驗在於:如果存在這樣的裝置,那麼經過一段時間後,右邊系統快分子越來越多,左邊系統慢分子越來越多,宏觀表現為右邊溫度越來越高,左邊溫度越來越低,這明顯是違背熱力學第二定律的。

因為熱力學第二定律描述:熱力學系統不可能自發地把熱量從低溫傳遞到高溫,而不造成其他影響。

麥克斯韋妖的提出,說明當時的熱力學理論還不完備。直到後來,科學家引入信息熵的概念,麥克斯韋妖問題才得到解決。


蘭道爾原理指出,擦除一個字節的數據,至少需要消耗kTln2的能量;也就是說信息熵和能量之間,存在著類似熱量和做功之間的關係,我們獲取信息也是一樣的,不可能無償而獲。




對於麥克斯韋妖,它首先需要區分快分子和慢分子,這就是信息的獲取,該過程需要消耗能量,最終的結果就是,我們給麥克斯韋妖輸入的能量,最終轉移到了兩個系統的“熵減”上。

所以對於整個系統來說,熱力學第二定律是成立的,不額外消耗能量的麥克斯韋妖是不存在的。


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艾伯史密斯


說到麥克斯韋妖必須要先說說什麼是熱力學第二定律。

熱力學第二定律有很多種表述方法,最容易理解的就是:不可能把熱量從低溫物體傳遞到高溫物體而不產生其他影響。

換個說法是:熱力學系統從一個平衡態到另一平衡態的過程中,其熵永不減少:若過程可逆,則熵不變;若不可逆,則熵增加。熱力學第二定律也被稱為熵增定律。“熵”簡單的說就是系統混亂的程度。

在孤立系統中熵總是增加的,就象我們宇宙這個孤立系統一樣,熱量總是向高溫傳遞到低溫物體。直到最後整個系統達到平衡,也就是熵的最大化。這就代表了宇宙的終結:熱寂。

現在回到麥克斯韋妖。該妖是在1871年,由英國科學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋(麥克斯韋方程組的創造者)提出的,他主要是想說明一下有沒有可能有違背熱力學第二定律的可能性。



他設想:在一個被分成兩個部分的絕熱容器中,中間隔板處有一個門,這個門可以選擇性的將速度較快的粒子(較熱)的放到右邊的格子裡,將較慢的粒子放到左邊的格子裡,這樣就形成了溫差,就可以利用這個溫差做功了。

圖:麥克斯韋妖

如果這個妖真的存在,那麼熱力學第二定律就是不成立的或者需要修改。

這個妖一直都沒有人能從理論上滅了它,直到它誕生100多年後的80年代。事實上,“妖”要將不同速度的粒子放到不同的格子裡,是需要對粒子速度進行比較的,這就涉及到信息的儲存和比較,這是需要耗費能量的,信息本身也是一種能量。這就存在了外界的能量輸入,這個系統也不是一個孤立系統了。所以,這只不消耗能量的妖是不存在的。這樣,這隻妖就被消滅了。


講科學堂


許多人認為,只要考慮了信息,妖獲取信息需要消耗能量,是一個熵增的過程,則整個系統就仍然是熵增的。

是的,這個說法沒錯,在由氣體系統和妖組成的大系統中,熵是增加的。但是,妖與氣體系統是兩個獨立的系統,兩者之間無任何物質和能量的輸入或輸出,也就是說,僅看氣體系統,這個系統與外界,包括與妖之間沒有物質和能量的輸入輸出,在妖不斷的打開和關閉閥門一段時間後,氣體系統的能量沒有改變,但熵卻減少了。這顯然與熵增原理相矛盾。

我曾看到一個稍微靠譜的解釋,僅考慮氣體系統,說,妖要獲取關於每個氣體分子能量的信息,就必須對這些分子進行測量,但測量的過程,不可避免的會對氣體分子的運動產生干擾。也就是說,妖與氣體系統之間並不是完全獨立的,而是有能量的傳輸,因此,導致了氣體系統(不是氣體與妖組成的大系統)的熵增,而且這個熵增會大於妖打開或關閉閥門給氣體系統帶來的熵減。這個解釋不能不說有點靠譜。但是,妖,既然是妖,就具有無邊的法力,它完全不需測量,或者進行了測量,但卻根本不會干擾氣體分子的運動,則這個法力無邊的妖,仍能使氣體系統違反熵增原理。

即使考慮了信息,麥克斯偉妖所帶來的問題仍然存在,並沒有得到解決。所謂的問題解決,其實是偷換了概念,把氣體系統偷換成了氣體和妖組合成的大系統。


董加耕


麥克斯韋妖是為了拯救宇宙而想出來的妖精。熱力學第二定律說,自然狀態下,系統的熵值只會增大。科學家用這個定律給宇宙算命,算出來的結果把科學家嚇哭了,宇宙會變成一個熱寂世界,也就是死掉,一絲生氣都沒有。因為只要有產生新東西出來,必然有熵減。而熵減在自然狀態下不可能,所以宇宙完全死翹翹一直到永遠。

科學家把自己嚇壞了,趕緊想辦法拯救宇宙,想出一個最簡單的上帝,叫麥克斯韋妖。


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