薛定諤的貓令人崩潰,但誰能簡單講明白麥克斯韋妖的恐怖呢?

貓先生內涵科普


薛定諤的貓令人崩潰,但誰能簡單講明白麥克斯韋妖的恐怖呢?

“薛定諤的貓”既是死的又是活的,這確實令人崩潰,但事實上,這就是薛定諤當年提出這個思想實驗想要達到的目的。薛定諤試圖以這隻“既死又活”的貓讓人們明白,量子力學中的“疊加態”是多麼的荒謬,然而時至今日,薛定諤的貓儼然成為了量子力學的代名詞,這是薛定諤萬萬沒有想到的。

物理學中有四大神獸,分別為“芝諾龜”、“拉普拉斯妖”、“麥克斯韋妖”以及“薛定諤的貓”,可以看到“麥克斯韋妖”與“薛定諤的貓”齊名,那麼“麥克斯韋妖”有何恐怖之處呢?答案是“麥克斯韋妖”根本就不恐怖,與之相反,它是一隻“好妖”。下面我們來具體講一下。

先簡單介紹一下麥克斯韋(James Clerk Maxwell),他在物理學上的成就可以比肩牛頓,當年的牛頓統一了天上和地下,而麥克斯韋統一了電磁領域,這兩人的成就交相輝映,成就了一個堪稱完美的經典物理學時代。好的,現在我們進入正題。

空氣的溫度本質上是空氣分子熱運動的激烈程度,這是一種具有統計意義的物理量,當我們說一個封閉容器裡的空氣溫度時,其實指的是這個容器裡空氣分子熱運動的平均速度,實際上對於這個容器裡的每一個空氣分子而言,它們的速度是不一致的,也就是說它們有的快有的慢。

麥克斯韋指出,假設將一個充滿空氣的封閉容器分成兩個區域(A區和B區),並在分界線設置一個一次只能讓一個空氣分子通過的“小門”,再假設這道“小門”有一個生物,這個生物就是所謂的“麥克斯韋妖”,它的本領是能分辨單個空氣分子的快慢程度,並且還能極快地打開或者關閉這道“小門”。

“麥克斯韋妖”要做的事就是,當“小門”A側的某個較快的分子接近“小門”時,它就打開“小門”讓這個快分子移動到B,而當“小門”A側的某個較慢的分子接近“小門”時,則關閉“小門”不允許這個慢分子通過,對於“小門”B側的空氣分子,“麥克斯韋妖”卻反其道而行之。

我們可以看到,在“麥克斯韋妖”的干預下,這個封閉容器最終會形成一個A區空氣的溫度比B區低的結果。看到這裡,可能有人會說了,這個“麥克斯韋妖”的本領似乎並沒有什麼大不了的,然而事實卻是,如果真有“麥克斯韋妖”,它將會拯救整個宇宙,這是怎麼回事呢?我們接著看。


“熵”的概念是熱力學的主要奠基人克勞修斯(Rudolf Julius Emanuel Clausius)在熱力學第二定律的基礎上提出來的,簡單地講,“熵”就是指一個系統內部的混亂程度,某個特定的系統內部的混亂程度越高,“熵”就越高,反之亦然。

克勞修斯指出,在一個孤立系統中,其實際發生的過程總是會令這個系統的“熵”增加,而對於整個宇宙而言也是這樣。隨著宇宙“熵增”的過程,所有的運動如物理、化學、機械、生命等等都將慢慢地轉變成熱運動,當宇宙的“熵”達到最大的時候,宇宙中的溫度將處處相等,整個宇宙將會一片死寂,再也不會出現任何的變化。

(上圖為克勞修斯)

這就是著名的“宇宙熱寂論”,這個理論告訴我們,在遙遠的未來,宇宙將會是這樣一種令人悲傷的結局,由於有著熱力學定律的支持,該理論得到了很多科學家的認同。

通過前面的介紹,我們知道了“麥克斯韋妖”能夠按空氣分子的熱運動速度,將混亂的空氣分子自動劃分成兩個溫度不同的區域,其本質就是將一個孤立的系統變得更加有序,也就是說“麥克斯韋妖”所做的事情其實就是這個特定系統的“熵減”過程,它可以有效地避免一個孤立的系統最終變成一潭死水。如果將“麥克斯韋妖”擴大宇宙的層面,那麼整個宇宙就不會像“宇宙熱寂論”所預言的那樣走向終點,從而得到了拯救。

需要注意的是,絕大多數科學家們都認為“麥克斯韋妖”是不存在的,原因很簡單,“麥克斯韋妖”違背了熱力學第二定律,如果真有“麥克斯韋妖”,那就可以做出第二類永動機,而事實上第二類永動機是不可能實現的。然而“麥克斯韋妖”看上去卻似乎無懈可擊,那麼問題出在哪呢?

也許有人會說,“麥克斯韋妖”在開關“小門”的時候會消耗能量,這無疑增加了系統的“熵”,但理論上來講,“麥克斯韋妖”開門“小門”時所需的能量可以非常小,小到幾乎可以忽略不計,因此這種說法不足以反駁“麥克斯韋妖”。

事實上,在1871年麥克斯韋提出這個假設之後的很長一段時間裡,科學家們都為此困惑不已,直到20世紀中葉“信息熵”的概念提出之後,“麥克斯韋妖”才得到了合理的解釋。

該理論認為,信息就是“負熵”,想要獲得信息,就必須產生額外的“熵”,“麥克斯韋妖”依靠信息來干預系統,如果要獲取信息,就必須要利用某種方式來完成(比如說利用與環境溫度不同光來照亮空氣分子),很明顯這是要消耗能量的,這就說明了在獲取信息的過程中,“麥克斯韋妖”讓這個系統的“熵”增加了,而這個增加的“熵”是永遠不會低於“麥克斯韋妖”在這個系統中減少的熵的。

值得一提的是,雖然孤立系統中的“麥克斯韋妖”已被科學界主流認定為不可能存在的,但是還是有一些科學家對此大感興趣,2007年2月還有科學家提出一種“人造麥克斯韋妖”,試圖利用“信息擒縱閥”來實現孤立系統“熵減”的過程,但由於受困於能量源的問題,這個“人造麥克斯韋妖”最終沒有成功。


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魅力科學君


首先麥克斯韋是20世紀最偉大的科學家之一,他的麥克斯韋方程組是被譽為最美的物理公式,這個麥克斯韋方程組把電和磁給統一了,這個的統一已經把物理學推向了一個高度!那麼他提出的這個妖那就肯定不簡單,看上去似乎是違反了熱力學第二定律!如果是那麼讓我們所理解,那麼就不會說是物理學上四大神獸了!

其次熱力學第二定律已經被很多科學家認可和很多實驗驗證了它的正確性!高溫物體會自發的把熱量傳遞給低溫物體,而低溫物體不可能自發的把熱量傳遞給高溫物體而不引起其他變化,也叫熵增定律!溫度是分子熱運動的表現,分子運動越快溫度就越高,分子運動越慢那麼溫度就越低,當分子不運動時,溫度就是絕對零度,而分子是不可能不運動的,所以絕對零度是不可能達到的。一個溫度體現出來是分子平均運動的動能,40攝氏度的水裡既有運動的比平均運動快,也有運動的比平均運動慢的。

麥克斯韋的小妖精是怎麼來的,其實整一杯低溫的水的溫度是40攝氏度,並不是每一個水分子都是一樣的運動速度的,40攝氏度只是整杯水的平均溫度,水分子肯定是有一部分速度快(比60攝氏度水分子還快),一部分速度慢(比40攝氏度水分子還慢),綜合起來的平均能量就體現出來40攝氏度。開爾文就假想在40攝氏度和60攝氏度水之間有一個小小的隔板,隔板上有一個小門,門邊有一個小精靈,當這個小精靈看到40攝氏度水這邊運動的比較快的分子運動到門口時,這個小精靈馬上就把門打開讓這個速度快的水分子過去60攝氏度這邊,同樣的道理,當小精靈看到60攝氏度水這邊運動比較慢的水分子向門這邊運動時,小精靈也打開門讓這個慢分子進入40攝氏度這邊,這樣操作一段時間後就會出現高溫的水就越高溫,越低溫的水就越低溫,這就違反了熱力學第二定律了。很多人都一直想做永動機,其實都是違反了熱力學第二定律。

現在比較好的解釋是指:小妖精選擇這個分子時和打開門時都消耗了能量,在40和60攝氏度水的系統確實感覺是違反了熱力學第二定律,但是把小妖精的系統也算上去,其實並沒有違反熱力學第二定律,因為40攝氏度的水熱量傳給60攝氏度的水,而消耗了小妖精的能量!


愛學習物理的小貓


許多人認為麥克斯偉妖已經被降伏了,因為考慮妖和氣體系統所組成的大系統,則這個大系統的總熵還是增加的。是的,這個大系統的總熵也許是增加的,但妖和氣體系統是兩個完全獨立、完全無關的系統,兩個系統之間沒有任何物質和能量的傳遞,就氣體系統本身而言,這完全是一個獨立的,與外界沒有任何關係的系統,但是,這個系統的熵卻是減少的。

有人說,妖與氣體系統之間雖然沒有物質能量方面的聯繫,但卻有信息的傳遞,妖需要從氣體系統中獲取氣體分子能量的信息,從而確定要不要打開那個小孔,考慮了信息熵後,氣體系統的熵也會增加。但顯然,按照熵的原始定義,那個僅與能量和溫度有關的定義,這個在氣體系統與妖之間的信息的傳遞,也就應該對應於能量的傳遞。況且,既然是妖,就有無邊的法力,假設這個法力無邊的妖根本就不需去觀察每個分子,不需要從氣體系統獲取信息,就能知道每個分子的能量,並打開或關閉小孔,則氣體系統的熵減,又該如何解釋?

麥克斯偉妖對熵增原理的破壞是從根本上的破壞。

要使妖的陰謀無法得逞,需要的是氣體分子們自己要“聯合起來”,“協調行動”。我認為,關於熱現象,還有一個我們至今還未認識到的“隱規則”,氣體分子除了按照現有的物理規律運動外,還要符從這個規則的限制,從而使得妖的陰謀無法得逞。

那些認為麥克斯偉妖已經被降伏的人,顯然也認為,如果有麥克斯偉妖,則氣體必定會達到一邊溫度高一邊溫度低的狀態。但我認為,即使有麥克斯偉妖,氣體系統也不會達到箱子中的一邊溫度高,另一邊溫度低那個狀態,因為那個“隱規則”會限制氣體分子的運動,當一邊溫度高於另一邊時,即使妖打開了小孔,低溫一邊的高能分子也不會穿過小孔到達高溫的一邊,從而使兩邊的溫度差增大。

這個“隱規則”也許與量子力學中的波函數的解釋有關,也許能夠幫助我們解開薛定諤貓的死活疊加態,使那隻貓,根本就不存在那個無法觀測驗證的死活疊加態。


董加耕


麥克斯韋曾提出過一個有名的假想實驗,稱為“麥克斯韋妖”。當時他的設想是在兩個隔離的絕熱的容器內充滿了空氣,在兩容器(記為甲 、乙)的中間設置一個活門,有一個 “妖 ”看 管,它只讓甲室的快分子進入乙室,而讓乙室的慢分子進入甲室,這樣在“妖 的管理下,兩室的溫差會逐漸加大,從而使整個系統遠離熱力學平衡態。

大師們的“玩笑”是事出有因的,只不過有些自然現象一時之間無法解釋,當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制,比如在自然界中,許多的生物過程都可利用生物分子的某些功能趨動化學系統向遠離熱力學平衡態方向移動。這些“燒腦”科學問題,不如耐心等等,最終有一天天資聰慧的科學家們會給出詮釋的。


東流不溢孰知其故


分子是按概率分佈的。分子的運動不是線性運動。


全都是考驗


貓和妖沒啥關係。貓給人的感覺就是意識決定一切,然而無法證明。妖的出現本來是打算拯救世界的,因為根據熵增原理,宇宙或者地球或者社會或者什麼亂七八糟的東西,總有一天會自主的不自發混亂,宇宙不定哪天就過熱宕機了,不過這日子且呢,不用擔心,宇宙的壽險肯定比人類長。妖的出現是打算說不用擔心,沒事,有一隻妖能逆天,然而好像現在妖也是符合熵增的,也就GG了。踏實的吧,宇宙跟生命長度相比太微不足道了。


我不買我就看看


不理解科學的可以把那個貓當成玩笑,世界上最多不超過一百個人理解這個,有的東西證明不了,比如那個貓,一證明,哪些見過的人記憶會被改變,有一種東西(幻覺根源的那個東西,會瞬間掃描人的一生記憶),刪除替換人的記憶,難證明。


乞丐命皇帝心


量子記憶缺失產生"時間之箭"所有物理學的基本定律都沒有說過時間只能向前移動,但我們從未發現任何時光倒流現象。


lindaba


來叫我答這一道題真實情況我還不太清楚,從標題上看不管是科學家或是咱個人在日常生活中於到的事,有時弄不明白之前,就會說點是妖毛古怪,神呀:鬼呀之類的話。不明白不清楚繼續作會給生命搭進去,蘇聯科學家實驗天上的電用風箏接觸電,雷擊犧牲了。冷熱生風,風去風回雲互磨擦而生電,科學也是一步一步往前,未知的事慢慢發現正實而解迷。

我想妖毛鬼怪的事會弄清楚的,在萬物的大家庭裡會和諧相處,互相利用的。



自然的語言


沒親自做這實驗不知道怎麼回事,不知道就是疊加態,知道了就坍縮成,要麼死要麼活。要死不活這怎麼弄。


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