答:麦克斯韦妖的经典描述,本来就通俗易懂。
英国大物理学家麦克斯韦,是统计力学的奠基人之一。在1871年,麦克斯韦针对热力学的不完备性(主要针对热力学第二定律),提出了著名的麦克斯韦妖。
描述到:在两个封闭的系统内,通过一道门控制两个系统中分子的进出,是否允许分子通过,由一个特殊装置控制,这个装置的特点是:
(1)允许快分子从左方进入右方,但不允许快分子从右方进入左方;
(2)允许慢分子从右方进入左方,但不允许慢中子从左方进入右方;
其中的“特殊装置”,就被后世称作“麦克斯韦妖”。
该思想实验在于:如果存在这样的装置,那么经过一段时间后,右边系统快分子越来越多,左边系统慢分子越来越多,宏观表现为右边温度越来越高,左边温度越来越低,这明显是违背热力学第二定律的。
因为热力学第二定律描述:热力学系统不可能自发地把热量从低温传递到高温,而不造成其他影响。
麦克斯韦妖的提出,说明当时的热力学理论还不完备。直到后来,科学家引入信息熵的概念,麦克斯韦妖问题才得到解决。
兰道尔原理指出,擦除一个字节的数据,至少需要消耗kTln2的能量;也就是说信息熵和能量之间,存在着类似热量和做功之间的关系,我们获取信息也是一样的,不可能无偿而获。
对于麦克斯韦妖,它首先需要区分快分子和慢分子,这就是信息的获取,该过程需要消耗能量,最终的结果就是,我们给麦克斯韦妖输入的能量,最终转移到了两个系统的“熵减”上。
所以对于整个系统来说,热力学第二定律是成立的,不额外消耗能量的麦克斯韦妖是不存在的。
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1871年,麦克斯韦提出了一个物理学理想假设:有一个孤立容器与外界不发生任何交换,内部存在若干快分子(高能)与慢分子(低能),容器被分隔开两侧,中间有一扇质量极小的门(开关过程无需付出能量)。有一个小妖控制着门的开关,使快分子单向通过容器一侧,慢分子则单向通过门的另一侧。经过一段时间后,容器的一侧聚集了快分子,另一侧聚集了慢分子,整个容器的熵减少了,但没有能量的输入。这个过程是否违背了热力学第二定律?
麦克斯韦妖系统的始末状态这里我们必须要知道什么是热力学第二定律:孤立系统内的过程会朝着熵最大的方向发展,直到其达到最大值。由于熵是描述系统混乱程度的物理量,所以第二定律也可解释为:孤立系统会朝着越来越混乱的方向发展,直到最混乱为止。
在麦克斯韦妖假想中,孤立系统的熵最终减小了(因为快分子与慢分子有序地堆积在了盒子的两侧),这个结果显然是违背热力学第二定律的。如果不能找到一个自洽的理论解释这个假想,那么意味着热力学第二定律将被推翻,整个热力学体系都将面临着危机。
在之后的数十年中,物理学家没有找到能够解释这一假想的理论,但热力学第二定律也没有被发现出错,于是麦克斯韦妖的问题就一直被搁置到1929年,直到匈牙利物理学家希拉德的出现。
匈牙利物理学家 里奥·希拉德希拉德认为,小妖在测量分子快慢的瞬间,需要付出能量作为代价。这样将小妖付出的能量也一并考虑进整个系统的话,便不违反热力学第二定律(外界对系统做功是系统熵减的唯一条件)。拉希德将分子的快或慢称作1个“bit”(这可能是人们首次提出这个信息学中的基本单位),信息学的概念也在此后逐渐形成。
虽然希拉德的理论没有被广泛认可为对麦克斯韦妖的最精确解释,但将信息与能量的关系引入其中却被公认为是正确的方法。1948年信息论之父香农提出了“信息熵”的概念,对信息量做了规范的定义,信息论正式成为一门重要学科。在1961年,美国物理学家兰道尔基于计算机热力学的研究,提出了兰道尔定理:擦除1bit信息将会导致kTIn2的热量耗散。学过热力学与统计物理的同学能够明显感觉到,这个定理与玻尔兹曼熵关系式太接近了!事实上,这个理论也是基于玻尔兹曼关系:S=kInW 提出来的,对于一个bit的微观状态数W=2。后来兰道尔的同事贝内特将这个理论用于解释麦克斯韦妖:小妖在擦除上一个分子信息时需要引入能量,这就使得包括小妖在内的整个系统的熵没有减少。这也成为目前对麦克斯韦妖佯谬的主流解释。
对麦克斯韦妖的探索,最大的收获便是信息学的建立。从希拉德提出1 bit的概念,到1948年信息学之父香农提出的“信息熵”,再到兰道儿与贝内特对计算机信息擦除动作与热力学建立起的联系,使得信息学的基础从热力学中逐渐脱胎,并让人们意识到“信息”这一看似虚无的东西,却有着与能量等价的重要物理学意义(经济学中,信息也有很重要的经济价值)。而这一切,都应该起始于麦克斯韦与玻尔兹曼等人对热力学统计物理基础的贡献。
信息论之父 克劳德·香农
谢谢朋友邀请。
说到麦克斯韦妖必须要先说说什么是热力学第二定律。
热力学第二定律有很多种表述方法,最容易理解的就是:不可能把热量从低温物体传递到高温物体而不产生其他影响。
换个说法是:热力学系统从一个平衡态到另一平衡态的过程中,其熵永不减少:若过程可逆,则熵不变;若不可逆,则熵增加。热力学第二定律也被称为熵增定律。“熵”简单的说就是系统混乱的程度。
在孤立系统中熵总是增加的,就象我们宇宙这个孤立系统一样,热量总是向高温传递到低温物体。直到最后整个系统达到平衡,也就是熵的最大化。这就代表了宇宙的终结:热寂。
现在回到麦克斯韦妖。该妖是在1871年,由英国科学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(麦克斯韦方程组的创造者)提出的,他主要是想说明一下有没有可能有违背热力学第二定律的可能性。
他设想:在一个被分成两个部分的绝热容器中,中间隔板处有一个门,这个门可以选择性的将速度较快的粒子(较热)的放到右边的格子里,将较慢的粒子放到左边的格子里,这样就形成了温差,就可以利用这个温差做功了。
图:麦克斯韦妖
如果这个妖真的存在,那么热力学第二定律就是不成立的或者需要修改。
这个妖一直都没有人能从理论上灭了它,直到它诞生100多年后的80年代。事实上,“妖”要将不同速度的粒子放到不同的格子里,是需要对粒子速度进行比较的,这就涉及到信息的储存和比较,这是需要耗费能量的,信息本身也是一种能量。这就存在了外界的能量输入,这个系统也不是一个孤立系统了。所以,这只不消耗能量的妖是不存在的。这样,这只妖就被消灭了。
麦克斯韦妖大概是这样一个意思:假设有两个厕所,一个是男厕所,还有一个是女厕所。现在过来了1000个盲人,这些盲人有男有女,但看不见厕所的标志。于是,这就需要一个麦克斯韦妖来给他们做指引,女盲人去女厕所,男盲人去男厕所。
然后呢?
以前的人觉得,这个麦克斯韦妖不需要消耗能量,因为给盲人指路那是做好事,是不需要花钱的。但实际上不是这样的,其实这个麦克斯韦妖必须消耗能量,才能完成这个指路的工作。也就是说,我们应该付给这个麦克斯韦妖工资。
麦克斯韦妖做了什么呢?因为它必须判断这个人是男人还是女人,这是需要观察的,比如看胸部,看喉结。这些观测得到的是信息,这些信息的获得是要消耗能量的。在计算机科学中有一个定理,说的是获得1比特的信息,需要消耗kTln 2的能量,在这里k是玻耳兹曼常数,T是环境温度,ln是对数。因此,在我说的这个厕所指路的案例中,判断一个人是男是女,其实就是1比特的信息,因此这个麦克斯韦妖一共消耗了1000kTln 2的能量。
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