趣·事
物理学史上的著名理想实验（3）
——“麦克斯韦妖”理想实验
在物理学发展的历史中，理想实验以其独特方式在物理学发展的许多关键时刻发挥了重要作用，直接或间接地导致了许多物理规律的发现和物理理论的建立。本期疯狂物理带大家欣赏物理学史上的著名理想实验——“麦克斯韦妖”理想实验，感怀物理学家的睿智。
1865年，克劳修斯引进态函数“熵”，提出了著名的“熵增加原理”，从而得到了热力学第二定律的最普遍的描述。但随后克劳修斯把这一原理当作普适的、绝对的真理外推到无限的宇宙中去，导致了“热寂”说的产生，克劳修斯指出：“宇宙的熵趋向于极大。宇宙越是接近于这个熵极大的极限状态，进一步变化的能力就越小；如果最后完全达到了这个状态，那就任何进一步的变化都不会发生了，这时宇宙就会进入一个死寂的永恒状态。”
“热寂”说的提出，在物理学界和社会上都引起了强烈反响。许多物理学家寻找各种理由来论证“热寂”说是错误的，对“热寂”说进行批判。麦克斯韦当时就隐约地意识到，自然界可能存在着某种与熵增加相反的过程，但由于并不明白这种相反过程的机理，于是麦克斯韦在他1871年出版的《热学理论》一书中设计了一个有趣而令人迷惑的理想实验：
“如果一个封闭的既不允许体积变化，又不允许热量流通的屏障内的系统，而且其中温度和压强处处相等的话，那么在不消耗功的情况下产生出任何温度和压强的不均匀是不可能的，这就是热力学第二定律告诉我们的。当我们能够处理的只是大块物体时，这无疑是正确的；但是我们设想有某个存在物，它的才能如此突出，以致可以在每个分子的行程中追踪每个分子，它的属性仍然如我们自身的属性一样基本上是有限的，但这样一个存在物能做到对我们说来是不可能做的事。我们知道，在一个温度均匀的充满空气的容器里的分子，其运动速度绝不均匀，然而，任意选取的任何大量分子的平均速度几乎是完全均匀的。现在让我们假定把这样一个容器分为A和B两部分，在分界上有一个小孔，再设想一个能见到单分子的存在物，打开或关闭那个小孔，使得只有快分子从A跑向B，而慢分子从B跑向A，这样，它就在不消耗功的情况下，B的温度提高，A的温度降低，而与热力学第二定律发生矛盾。”
麦克斯韦的理想实验，提出了一个违反热力学第二定律的过程，用几乎神奇的方法对第二定律提出了责难。虽然麦克斯韦所设想的过程正是反对和批判“热寂”说的物理学家们所期盼的，因为在他们看来，如果这种过程确实存在，那么“热寂”说就是不可能的，这样就达到了挽救宇宙、挽救我们生存的地球的目的。然而，如果麦克斯韦理想实验中的过程真是可以实现的，则就说明热力学第二定律是可以违反的，第二类永动机是可以造成的。这种结果显然又不是物理学家所愿意看到的，所以麦克斯韦的这个理想实验使物理学家们陷入困惑之中，以至于人们把麦克斯韦在理想实验中提到的“某个存在物”称为“麦克斯韦妖”。
然而，“麦克斯韦妖”理想实验的意义是十分深远的，它促使物理学家们进一步深入探讨热力学第二定律的本质，在更广阔的范围内研究与热有关的物理现象。几代物理学家研究的结果表明，“麦克斯韦妖”理想实验客观上是存在的，但它并不违反热力学第二定律。小妖控制“门”的耗散过程中依然需要消耗能量，但并不是在放分子的过程，而是在判断分子快慢的过程中。也就是说，信息依然也是有能量的！这代表着麦克斯韦妖依然没有违背物理学第二定律。事实上到目前为止，没有发现任何自然过程违反热力学第二定律，而热力学第二定律也绝非必然导致“热寂”。
詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell，1831〜1879），出生于苏格兰爱丁堡，英国物理学家、数学家。经典电动力学的创始人，统计物理学的奠基人之一。
1847年进入爱丁堡大学学习数学和物理，毕业于剑桥大学。他成年时期的大部分时光是在大学里当教授，最后是在剑桥大学任教。1873年出版的《论电和磁》，也被尊为继牛顿《自然哲学的数学原理》之后的一部最重要的物理学经典。麦克斯韦被普遍认为是对物理学最有影响力的物理学家之一。没有电磁学就没有现代电工学，也就不可能有现代文明。1879年11月5日，麦克斯韦因病在剑桥逝世，年仅48岁。那一年正好爱因斯坦出生。
何为“千篇万律？”
宋·苏轼《答王庠书》：“今程试文字，千人一律，考官亦厌之。”千篇一律，形容一种机械的重复。
而物理学是有趣有理的，物理人也是幽默理性的，李小杨曰：“千篇万律，方显有趣灵魂！”接下来，疯狂物理将与你相约1000个物理故事，感悟10000个规律。
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