【三分钟科学趣谈（2）】神奇生物在这里——麦克斯韦妖

在物理学的发展史上，有两只神奇的生物被理工科的研究者们津津乐道。其中一只大名鼎鼎，名为薛定谔的猫，这只由量子物理学家薛定谔提出的假象动物，困扰了无数研究者。甚至在科学明星霍金教授听到关于这只猫的描述后，半天只说了一句话：给我一把手枪让我打死它！相比较而言，另一只神奇生物则流传较少，这就是我们今天要讨论的主角——麦克斯韦妖。

想要讲明白这只神奇的妖并不容易，我们要从它的源头：热力学第二定律说起。

什么是热力学第二定律呢？先来看看它的原文。

在自然过程中，一个孤立系统的“熵”不会自发减小

这个关于热力学第二定律的最简表达，读起来一点也不简单。因为对于没有热力学基础的人来说，自然过程和孤立系统还能有所了解，“熵”这个名词是完全不熟悉的。别急，让我们用大白话解释一下什么叫做“熵”。

先来看两张图，找找不同。这两张桌子最大的差别在哪里？

A 混乱的书桌；B整洁的书桌

嗯，不出意外的话，应该是A很乱，B很整洁。

上面这种评价应该是正常人会做出的正常评价。但是到了物理学家这里，这种通俗的语言就不符合他们的风格了。他们需要一个更学术的，更专业的，同时也让大众更不理解的名词来阐述这种现象。

于是乎，他们找到了“熵”。这个所谓的“熵”，就是一个数值。这个数值越大，说明越混乱。

所以说，当某知名物理学家谢耳朵看到了上面两张桌子的时候，大概会说：上面这张桌子的熵很大，下面这张的熵比较小。

到此为止，最重要的一个问题解决了。现在让我们再回头看看热力学第二定律，它到底说了些什么呢？

我们还是以书桌为例子，热力学第二定律其实说的就是：一个桌子上面的一堆东西（孤立系统），你不去整理它（输入能量），它不可能自己变着变着就整齐了（熵减小）。嗯，通俗易懂，好像说了跟没说没什么两样，这难道不是显而易见的事实吗？而且绕了这么一大圈，大概搞明白了热力学第二定律，却连麦克斯韦妖的影子都没有看见。

别急，这就来了。

其实，这个看似大白话一样的热力学第二定律，自从被提出之后，就在不断地受到质疑。一众科学家甚至为了证明它是错误的而奋斗终身，比如第二类永动机就是一个典型的例子。然而，他们无一例外，都失败了。

这场漫长的检验持续了几十年，热力学第二定律来者不拒，毫无破绽。

就在大家已经接受了这个定律，觉得这已经成为真理的时候，大物理学家麦克斯韦表示：我反对！

聊到这里，我觉得非常有必要对麦克斯韦这位伟大的物理学家做一个简单介绍。

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 。1831年6月13日生于苏格兰爱丁堡，1879年11月5日卒于剑桥。【1】

物理天才麦克斯韦的生命仅有48年。在这48年里，他几乎凭借一人之力，建立的经典的电磁理论，打下了电磁学的基础。而没有他的电磁学，就根本不可能有现代文明。他在电磁学中的地位，好比是牛顿在力学中的地位一样。

这样一位大物理学家站出反对热力学第二定律，自然权威性要比那些整天叫嚷着发明永动机的人高出百倍。于是大家认真听了他的理由，本以为麦克斯韦是发明了一套神奇装置，没想到他只是凭空做了个幻想。但就仅仅是这么一个幻想，却比之前任何一次质疑都来的棘手。

大师的水平，令人折服。

那么，麦克斯韦到底幻想了什么呢？

麦克斯韦在脑海中假设了一种神奇的生物，就是所谓的麦克斯韦妖。它把守着一道小门。并且可以让这个小门凭借它的意志关闭或者打开。在小门的两边，连接着两个小腔室，两个小腔室里面有两种不同的小球混在一起飞来飞去。就像下面的图展示的那样。

麦克斯韦妖（左图：熵大；右图：熵小）

而这只妖精的任务就是：选择合适的开门和关门时机，使得原本混在一起的两种小球，最后分开来。显而易见，在这个过程中，混乱度减小了，自然而然，熵也就减小了。最最重要的是，这只妖精只管开门关门，从来没有向这个系统里输入一丁点能量！

想想看，这就好像在说，一袋大米加沙子的混合物，不用你去挑拣，过一会，就分成了一袋大米和一袋沙子！我们要做的，就是养一只麦克斯韦妖。

于是乎，人们苦苦探索总结得到的热力学第二定律，被这只不存在的小妖精给打破了。因为虽然这只妖怪并不存在，但麦克斯韦告诉我们，只要科技足够发达，总有一天我们造出了这么一扇门，和这只妖精有相同作用的时候，热力学第二定律就会不成立。

这只妖精，在热力学界引起了广泛的恐慌和争议。为了维护定律的真确性，更多的科学家做出了更多的努力，这种努力，甚至比先前为永动机做出的多得多！

到这里，这只妖精的来路我们算是讲明白了。

但至于这只妖精现在如何了，很遗憾，那就不是三言两语就能解释清楚的了。我们所知道的就是，热力学第二定律仍然保住了它的位置，没有被拉下科学的神坛。但与此同时，在这只妖精的捣乱下，一种名为“耗散结构理论”的新学科得以兴起，并不断发挥着更大的作用。

这就是思维的力量，一个简单的思维实验，就推动了科学的巨大发展。

难怪爱因斯坦会说：提出一个问题，比解决问题更加重要。

不过前提是，在这之前，你已经打下了坚实的基础。

好了不说了，我要去问问赫敏，他们那里有没有麦克斯韦妖卖了，我的桌子需要整理了。

注【1】：摘自百度百科