“薛定諤的貓”既是死的又是活的，這是非常令人難以接受的，事實(shí)上，這就是薛定諤當(dāng)年提出這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)想要達(dá)到的目的。薛定諤試圖以這只“既死又活”的貓讓人們明白，量子力學(xué)中的“疊加態(tài)”是多么的荒謬，然而時(shí)至今日，薛定諤的貓儼然成為了量子力學(xué)的代名詞，這是薛定諤萬(wàn)萬(wàn)沒(méi)有想到的。
物理學(xué)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，那么它有何恐怖之處呢？答案是“麥克斯韋妖”根本就不恐怖，與之相反，它是一只“好妖”，今天我們就來(lái)講一下“麥克斯韋妖”有什么本領(lǐng)。
先簡(jiǎn)單介紹一下麥克斯韋（James Clerk Maxwell），他在物理學(xué)上的成就可以比肩牛頓，當(dāng)年的牛頓統(tǒng)一了天上和地下，而麥克斯韋統(tǒng)一了電磁領(lǐng)域，這兩人的成就交相輝映，成就了一個(gè)堪稱(chēng)完美的經(jīng)典物理學(xué)時(shí)代。好的，現(xiàn)在我們進(jìn)入正題。
（上圖為麥克斯韋）
空氣的溫度本質(zhì)上是空氣分子熱運(yùn)動(dòng)的激烈程度，這是一種具有統(tǒng)計(jì)意義的物理量，當(dāng)我們說(shuō)一個(gè)封閉容器里的空氣溫度時(shí)，其實(shí)指的是這個(gè)容器里空氣分子熱運(yùn)動(dòng)的平均速度，實(shí)際上對(duì)于這個(gè)容器里的每一個(gè)空氣分子而言，它們的速度是不一致的，也就是說(shuō)它們有的快有的慢。
麥克斯韋指出，假設(shè)將一個(gè)充滿(mǎn)空氣的封閉容器分成兩個(gè)區(qū)域（A區(qū)和B區(qū)），并在分界線(xiàn)設(shè)置一個(gè)一次只能讓一個(gè)空氣分子通過(guò)的“小門(mén)”，再假設(shè)這道“小門(mén)”有一個(gè)生物，這個(gè)生物就是所謂的“麥克斯韋妖”，它的本領(lǐng)是能分辨單個(gè)空氣分子的快慢程度，并且還能極快地打開(kāi)或者關(guān)閉這道“小門(mén)”。
“麥克斯韋妖”要做的事就是，當(dāng)“小門(mén)”A側(cè)的某個(gè)較快的分子接近“小門(mén)”時(shí)，它就打開(kāi)“小門(mén)”讓這個(gè)快分子移動(dòng)到B，而當(dāng)“小門(mén)”A側(cè)的某個(gè)較慢的分子接近“小門(mén)”時(shí)，則關(guān)閉“小門(mén)”不允許這個(gè)慢分子通過(guò)，對(duì)于“小門(mén)”B側(cè)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(yù)下，這個(gè)封閉容器最終會(huì)形成一個(gè)A區(qū)空氣的溫度比B區(qū)低的結(jié)果。看到這里，可能有人會(huì)說(shuō)了，這個(gè)“麥克斯韋妖”的本領(lǐng)似乎并沒(méi)有什么大不了的，然而事實(shí)卻是，如果真有“麥克斯韋妖”，它將會(huì)拯救整個(gè)宇宙，這是怎么回事呢？我們接著看。
“熵”的概念是熱力學(xué)的主要奠基人克勞修斯（Rudolf Julius Emanuel Clausius）在熱力學(xué)第二定律的基礎(chǔ)上提出來(lái)的，簡(jiǎn)單地講，“熵”就是指一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部的混亂程度，某個(gè)特定的系統(tǒng)內(nèi)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(gè)孤立系統(tǒng)中，其實(shí)際發(fā)生的過(guò)程總是會(huì)令這個(gè)系統(tǒng)的“熵”增加，而對(duì)于整個(gè)宇宙而言也是這樣。隨著宇宙“熵增”的過(guò)程，所有的運(yùn)動(dòng)如物理、化學(xué)、機(jī)械、生命等等都將慢慢地轉(zhuǎn)變成熱運(yùn)動(dòng)，當(dāng)宇宙的“熵”達(dá)到最大的時(shí)候，宇宙中的溫度將處處相等，整個(gè)宇宙將會(huì)一片死寂，再也不會(huì)出現(xiàn)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(gè)理論告訴我們，在遙遠(yuǎn)的未來(lái)，宇宙將會(huì)是這樣一種令人悲傷的結(jié)局，由于有著熱力學(xué)定律的支持，該理論得到了很多科學(xué)家的認(rèn)同。
通過(guò)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(yùn)動(dòng)速度，將混亂的空氣分子自動(dòng)劃分成兩個(gè)溫度不同的區(qū)域，其本質(zhì)就是將一個(gè)孤立的系統(tǒng)變得更加有序，也就是說(shuō)“麥克斯韋妖”一點(diǎn)也不恐怖，它所做的事情其實(shí)就是這個(gè)特定系統(tǒng)的“熵減”過(guò)程，它可以有效地避免一個(gè)孤立的系統(tǒng)最終變成一潭死水。如果將“麥克斯韋妖”擴(kuò)大宇宙的層面，那么整個(gè)宇宙就不會(huì)像“宇宙熱寂論”所預(yù)言的那樣走向終點(diǎn)，從而得到了拯救。
需要注意的是，絕大多數(shù)科學(xué)家們都認(rèn)為“麥克斯韋妖”是不存在的，原因很簡(jiǎn)單，“麥克斯韋妖”違背了熱力學(xué)第二定律，如果真有“麥克斯韋妖”，那就可以做出第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)，而事實(shí)上第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)是不可能實(shí)現(xiàn)的。然而“麥克斯韋妖”看上去卻似乎無(wú)懈可擊，那么問(wèn)題出在哪呢？
也許有人會(huì)說(shuō)，“麥克斯韋妖”在開(kāi)關(guān)“小門(mén)”的時(shí)候會(huì)消耗能量，這無(wú)疑增加了系統(tǒng)的“熵”，但理論上來(lái)講，“麥克斯韋妖”開(kāi)門(mén)“小門(mén)”時(shí)所需的能量可以非常小，小到幾乎可以忽略不計(jì)，因此這種說(shuō)法不足以反駁“麥克斯韋妖”。
事實(shí)上，在1871年麥克斯韋提出這個(gè)假設(shè)之后的很長(zhǎng)一段時(shí)間里，科學(xué)家們都為此困惑不已，直到20世紀(jì)中葉“信息熵”的概念提出之后，“麥克斯韋妖”才得到了合理的解釋。
該理論認(rèn)為，信息就是“負(fù)熵”，想要獲得信息，就必須產(chǎn)生額外的“熵”，“麥克斯韋妖”依靠信息來(lái)干預(yù)系統(tǒng)，如果要獲取信息，就必須要利用某種方式來(lái)完成（比如說(shuō)利用與環(huán)境溫度不同光來(lái)照亮空氣分子），很明顯這是要消耗能量的，這就說(shuō)明了在獲取信息的過(guò)程中，“麥克斯韋妖”讓這個(gè)系統(tǒng)的“熵”增加了，而這個(gè)增加的“熵”是永遠(yuǎn)不會(huì)低于“麥克斯韋妖”在這個(gè)系統(tǒng)中減少的熵的。
值得一提的是，雖然孤立系統(tǒng)中的“麥克斯韋妖”已被科學(xué)界主流認(rèn)定為不可能存在的，但是還是有一些科學(xué)家對(duì)此大感興趣，2007年2月還有科學(xué)家提出一種“人造麥克斯韋妖”，試圖利用“信息擒縱閥”來(lái)實(shí)現(xiàn)孤立系統(tǒng)“熵減”的過(guò)程，但由于受困于能量源的問(wèn)題，這個(gè)“人造麥克斯韋妖”最終沒(méi)有成功。
好了，今天我們就先講到這里，歡迎大家關(guān)注我們，我們下次再見(jiàn)`
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