物理学上有四大神兽，折柳是芝诺的乌龟，拉普拉斯兽、麦克斯韦妖、薛定谔的猫。之前屡次共享过薛定谔的猫，今天陆续共享另一大神兽：麦克斯韦妖。

1872年，物理学界大佬麦克斯韦在一册书中提到，有一种生物可能会违抗热力学第二定律，具体是怎么回事呢？

让咱们设计有一种奇特的生物，暂且叫它“麦克斯韦妖”，这种生物领有很高的手艺，不错精准跟踪每个分子的行踪轨迹，能分辨出分子的速率位置等，好像按照某种递次或者规定把巧合畅通的分子分派到相应的区域。

咫尺，假定有这样一个容器，容器被分为A和B两部分，两部分中间有隔板分开，隔板上有一个小洞。由于麦克斯韦妖能精准不雅测到单个分子的畅通速率和位置，是以表面上就不错让畅通速率更快的分子从A部分插足到B部分，只需要比及某个速率更快的分子将近到达隔板上的小洞时，随即大开隔板，分子就会从A部分到达B部分。

如斯不断进行通常的操作，效果就是B部分的分子畅通速率更快，而A部分的分子畅通速率更慢，B部分的温度更高，A部分的温度更低。麦克斯韦假定挡板相称轻，对挡板大开经过中的作念功不错忽略不计。

这就意味着，麦克斯韦妖在什么齐莫得作念，起码莫得作念功的情况下，就让热量达成了交换，这彰着违抗了热力学第二定律，显明是不成能的。

这就是麦克斯韦妖的由来，那么，咱们到底该如何解释麦克斯韦妖违抗热力学定律这个矛盾呢？

先从热力学第二定律提及。

热力学定律共有四个，咱们相比熟识的是前三个定律，第四个定律叫作念“热力学第零定律”，有好奇的不错去搜索了解下，这里不再胪陈了。

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第一定律是能量守恒定律，第二定律也被称为“熵增定律”，天然界能量改换齐是具有场地性的，不成逆的。第三定律，十足零度时，整个纯物资的无缺晶体的熵值为零。也叫十足零度。十足零度履行是无法达到的，仅仅表面值。

三大定律中，第二定律其实更道理，能带给咱们更深的念念考。热力学第二定律闲居有两种表述相貌。

第一：不成能制造出这样一种热机，只从单一热源吸热对外作念功而不产生其他影响。

第二：不成能把热量从低温物体传到高温物体而不产生其他影响，或者说热量不成能自觉地从低温物体传到高温物体。

而麦克斯韦妖的操作，彰着意味着热能不错额自觉地从低温物体迁移到高温物体。况且刚才说了，热力学第二定律其实亦然“熵增道理”，该道理标明，在一个阻塞的系统里，系统老是倾向于从有序到无序，这个经过是不成逆的。

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从熵的角度来讲，麦克斯韦妖通常是矛盾的，违抗了熵增定律，毕竟速率更快的分子一谈到B部分，速率更慢的分子留在A部分，很彰着通盘系统变得更有序了。

再来说说温度的意见。

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提到温度，咱们闲居会用热或者冷来表述，其中这种表述相貌是不严谨的，因为冷热齐是相对的，40的天气咱们嗅觉很热，但40度在太阳温度眼前又显得太冷了。

物理学上对温度的界说是这样的，用平均动能来示意，庸俗浮现就是多量分子的平均动能，而不是单个分子的热畅通，这里欺骗的是统计学道理。每个分子齐有热畅通，但并不是整个的分子齐以交流的速率畅通。

说收场温度的意见，再回偏合手来望望麦克斯韦妖这个“恶魔”。为了更好地浮现麦克斯韦妖，咱们以致不错把这个恶魔瞎想成一个门径相称小的传感器，能精准感应到分子的速率，从而决定是大开挡板如故关闭挡板。

当传感器感应到速率较快的分子时，用红色小点示意这样的分子，就会大开挡板，让分子插足B区域。淌若传感器感应到的是速率较慢的分子，就不会大开挡板。如斯一来，到临了B区域就只会剩下速率较高的分子，温度天然也会更高。

刚才也说了，这就荒谬于恶魔莫得使用任何动力，就不错把热量从低温物体传递到高温物体。淌若真是不错这样作念的话，那东谈主类就发达了，意味着透顶的动力目田，说白了就是咱们领有了心向往之的永动机，无谓再为动力穷乏而发愁。

缺憾的是，上头的设计是不成能的，因为违抗了热力学第二定律，咱们不成能通过这种相貌制造出永动机的。

关联词，问题还在，咱们该如何解释麦克斯韦妖的举止呢？明明违抗了热力学第二定律，但看上去确彭胀得通。麦克斯韦妖这个念念想实验到底那儿出了问题呢？

对于麦克斯韦妖这个恶魔，第一个问题是，这个恶魔真是能精准测量出每个分子的速率吗？况且测量的经过真是不破钞任何能量吗？

事实上，能精准测量出每个分子的速率的“恶魔”是不存在的。注意的东谈主可能照旧看出来了，在麦克斯韦妖这个念念想实验经过中，完全莫得谈到恶魔是如何精准测量分子速率的。

而现实情况是，不管恶魔如何测量分子的速率，也就是测量温度，一定会使用能量。而破钞能量就意味着着熵增。

恶魔在处理分子的信息形成的会熵增，远远衰退分派粒子的熵减，是以麦克斯韦妖并不违抗热力学第二定律。科学家们信赖测量信息的经过一定会产生熵，而这时候阿谁恶魔其实照旧死了。

不外匈牙利物理学家希拉德在1929年又让恶魔“回生”了。具体怎么回事呢？他作念了一个麦克斯韦妖的升级版实验，亦然一个念念想实验，构造了一个只需要措置单个分子的简化恶魔系统，也就是单分子引擎。

这个念念想实验具体是这样的。

在一个密闭的箱子里有一个分子。妖闪耀过测量，不错知谈分子到底是在左边如故右边。淌若在左边，就在箱子的左边安设一个挡板，挡板上系上一根绳索绑上重锤，就是一个简单的活塞系统。

由于阿谁分子在左边，例必会向右迁移，这样就会鼓吹活塞畅通。临了，把挡板拆掉，系统又还原到原有景色。通盘经过中，荒谬于单个分子不错自觉地索要一些热能并将其改换为等量的功。

淌若不接头妖精的测量经过，如斯模子完全就是第二类永动机，也就是违抗热力学第二定律的永动机，熵不错自觉地减少。天然这是不成能的。

希拉德以为，温度就出在妖精的“测量”上，妖精要想得回分子的信息，就必须测量。而获取信息是要付出代价的，这种代价就会使得周围环境的熵加多。系统看起来的“熵”的减小，其实来自妖精测量经过中“信息熵”的加多。

也就是说，合座来看，系统的熵仍然是加多的，通常莫得违抗热力学第二定律。

希拉德的不雅点第一次让东谈主类意志到了“信息熵”的意见，而大致20年之后，香农在1948年才初度提倡了信息论，希拉德在大致20年前就有了肖似的念念想，诚然有些朦胧，但如实让咱们意志到了信息的物理本色，初度将信息与能量破钞联系起来。

跟着时刻的推移，到了1961年，物理学家兰谈尔提倡了兰谈尔道理：谋划机在删除信息的经过中会对环境开释出少量的热量，例必有电能改革成了热能被开释到环境中，这亦然咱们的电脑不断发烧的原因，该热量的数值与环境温度成正比，删除信息的经过电能改革成热能是不成逆的热力学经过，因此谋划机通过谋划而散漫热量的经过亦然不成逆的。

也就是说，在咱们删除信息时，热能就产生了。比如说，咱们经常会删除手机电脑里莫得的图片，视频或者其他文献，以为这样作念不会敌手机电脑有任何影响，其实否则，删除的经过通常会产生热能。

跟着东谈主类对信息的筹商不断深远，科学家服气：信息亦然一种物理实体。这种不雅点其实完全违抗了咱们的直观和日常生存警戒，即即是实体，咱们也会以为信息是概括的实体，怎么可能是物理实体呢？

比如说，电脑里的信息本色上就是0和1构成的一连串假造代码，怎么会是物理实体呢？电脑的机箱，主板，电源，硬盘等齐是物理实体，这很好浮现，信息为什么亦然物理实体呢？

科学家们的解释是，信息如实是物理的，因为信息老是要储存在某个物理介质中，况且会受到物理介质的照管。不管咱们把信息储存在硬盘如故一张纸上，物理定律齐阻抑着这些竖立的特点，同期也会限定东谈主类处理信息的才能。信息自身的进展就像熵那样，会受到物理定律的阁下，亦然一种物理量。

诚然以上所征询的基本齐停留在表面层面，但事实上科学家早就通过实考据明了这点，日本科学家早在十几年前就作念到了“从信息中获取能量”的豪举。

以上就是麦克斯韦妖，以及它给物理学界带来的庞大影响。想当初，麦克斯韦本东谈主可定想不到他约略的一个念念想实验，果然能对东谈主类浮现熵和信息的本色产生如斯大的影响。麦克斯韦提倡这个念念想实验的谋划其实很约略，就是为了解释热力学中的统计属性，但谁也没猜度就是这样一个“恶魔”，果然困扰了物理学界一百多年，但同期也鼓吹了信息表面的发展。

这就有点像薛定谔提倡的念念想实验“薛定谔的猫”，也大大鼓吹了量子力学的发展，让普通的吃瓜各人也了解了量子天下有何等神奇！