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?

猫先生内涵科普


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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魅力科学君


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。

麦克斯韦的小妖精是怎么来的,其实整一杯低温的水的温度是40摄氏度,并不是每一个水分子都是一样的运动速度的,40摄氏度只是整杯水的平均温度,水分子肯定是有一部分速度快(比60摄氏度水分子还快),一部分速度慢(比40摄氏度水分子还慢),综合起来的平均能量就体现出来40摄氏度。开尔文就假想在40摄氏度和60摄氏度水之间有一个小小的隔板,隔板上有一个小门,门边有一个小精灵,当这个小精灵看到40摄氏度水这边运动的比较快的分子运动到门口时,这个小精灵马上就把门打开让这个速度快的水分子过去60摄氏度这边,同样的道理,当小精灵看到60摄氏度水这边运动比较慢的水分子向门这边运动时,小精灵也打开门让这个慢分子进入40摄氏度这边,这样操作一段时间后就会出现高温的水就越高温,越低温的水就越低温,这就违反了热力学第二定律了。很多人都一直想做永动机,其实都是违反了热力学第二定律。

现在比较好的解释是指:小妖精选择这个分子时和打开门时都消耗了能量,在40和60摄氏度水的系统确实感觉是违反了热力学第二定律,但是把小妖精的系统也算上去,其实并没有违反热力学第二定律,因为40摄氏度的水热量传给60摄氏度的水,而消耗了小妖精的能量!


爱学习物理的小猫


许多人认为麦克斯伟妖已经被降伏了,因为考虑妖和气体系统所组成的大系统,则这个大系统的总熵还是增加的。是的,这个大系统的总熵也许是增加的,但妖和气体系统是两个完全独立、完全无关的系统,两个系统之间没有任何物质和能量的传递,就气体系统本身而言,这完全是一个独立的,与外界没有任何关系的系统,但是,这个系统的熵却是减少的。

有人说,妖与气体系统之间虽然没有物质能量方面的联系,但却有信息的传递,妖需要从气体系统中获取气体分子能量的信息,从而确定要不要打开那个小孔,考虑了信息熵后,气体系统的熵也会增加。但显然,按照熵的原始定义,那个仅与能量和温度有关的定义,这个在气体系统与妖之间的信息的传递,也就应该对应于能量的传递。况且,既然是妖,就有无边的法力,假设这个法力无边的妖根本就不需去观察每个分子,不需要从气体系统获取信息,就能知道每个分子的能量,并打开或关闭小孔,则气体系统的熵减,又该如何解释?

麦克斯伟妖对熵增原理的破坏是从根本上的破坏。

要使妖的阴谋无法得逞,需要的是气体分子们自己要“联合起来”,“协调行动”。我认为,关于热现象,还有一个我们至今还未认识到的“隐规则”,气体分子除了按照现有的物理规律运动外,还要符从这个规则的限制,从而使得妖的阴谋无法得逞。

那些认为麦克斯伟妖已经被降伏的人,显然也认为,如果有麦克斯伟妖,则气体必定会达到一边温度高一边温度低的状态。但我认为,即使有麦克斯伟妖,气体系统也不会达到箱子中的一边温度高,另一边温度低那个状态,因为那个“隐规则”会限制气体分子的运动,当一边温度高于另一边时,即使妖打开了小孔,低温一边的高能分子也不会穿过小孔到达高温的一边,从而使两边的温度差增大。

这个“隐规则”也许与量子力学中的波函数的解释有关,也许能够帮助我们解开薛定谔猫的死活叠加态,使那只猫,根本就不存在那个无法观测验证的死活叠加态。


董加耕


麦克斯韦曾提出过一个有名的假想实验,称为“麦克斯韦妖”。当时他的设想是在两个隔离的绝热的容器内充满了空气,在两容器(记为甲 、乙)的中间设置一个活门,有一个 “妖 ”看 管,它只让甲室的快分子进入乙室,而让乙室的慢分子进入甲室,这样在“妖 的管理下,两室的温差会逐渐加大,从而使整个系统远离热力学平衡态。

大师们的“玩笑”是事出有因的,只不过有些自然现象一时之间无法解释,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,比如在自然界中,许多的生物过程都可利用生物分子的某些功能趋动化学系统向远离热力学平衡态方向移动。这些“烧脑”科学问题,不如耐心等等,最终有一天天资聪慧的科学家们会给出诠释的。


东流不溢孰知其故


分子是按概率分布的。分子的运动不是线性运动。


全都是考验


猫和妖没啥关系。猫给人的感觉就是意识决定一切,然而无法证明。妖的出现本来是打算拯救世界的,因为根据熵增原理,宇宙或者地球或者社会或者什么乱七八糟的东西,总有一天会自主的不自发混乱,宇宙不定哪天就过热宕机了,不过这日子且呢,不用担心,宇宙的寿险肯定比人类长。妖的出现是打算说不用担心,没事,有一只妖能逆天,然而好像现在妖也是符合熵增的,也就GG了。踏实的吧,宇宙跟生命长度相比太微不足道了。


我不买我就看看


不理解科学的可以把那个猫当成玩笑,世界上最多不超过一百个人理解这个,有的东西证明不了,比如那个猫,一证明,哪些见过的人记忆会被改变,有一种东西(幻觉根源的那个东西,会瞬间扫描人的一生记忆),删除替换人的记忆,难证明。


乞丐命皇帝心


量子记忆缺失产生"时间之箭"所有物理学的基本定律都没有说过时间只能向前移动,但我们从未发现任何时光倒流现象。


lindaba


来叫我答这一道题真实情况我还不太清楚,从标题上看不管是科学家或是咱个人在日常生活中于到的事,有时弄不明白之前,就会说点是妖毛古怪,神呀:鬼呀之类的话。不明白不清楚继续作会给生命搭进去,苏联科学家实验天上的电用风筝接触电,雷击牺牲了。冷热生风,风去风回云互磨擦而生电,科学也是一步一步往前,未知的事慢慢发现正实而解迷。

我想妖毛鬼怪的事会弄清楚的,在万物的大家庭里会和谐相处,互相利用的。



自然的语言


没亲自做这实验不知道怎么回事,不知道就是叠加态,知道了就坍缩成,要么死要么活。要死不活这怎么弄。


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