麦 克 斯 韦 妖 的 登 场
——麦克斯韦妖随笔之一
当人类对这个世界进行想象与思考的时候，
妖精和魔鬼也就陆续登场了。
从这篇文章开始，又要讲一个妖。人称麦克斯韦的妖，这又是物理世界中的一个灵异之物。
在介绍这个妖之前，我首先想到了这样一个问题：
妖精、魔鬼等异类究竟是从哪里跑出来的呢？
它们是属于大自然，还是属于人类的心灵？
它们是在大千的物质世界里，还是在人类的精神世界里？
一、妖魔是从人们的心里跑出来的
对于这些问题的答案，使我想起了童年记忆中的一段往事。
记得小时候，常去外婆家，那是草木苍翠、修竹成林、绿水环绕的江南小村。一般总是上午去，在外婆家享用一顿午餐，下午就回来。我家是住在人口相对密集的小镇上。村镇之间相距数里之遥。
走在这条路上，脚下弯弯曲曲的小土路，小路两边始终连缀着青青的小草，蜿蜒在田野里、小河旁，一幅幅如画的景色也在你面前不断地展现着：一丛丛的树林、村落；一处处的小桥、流水。走在这条路上，不光是景色美，想着慈祥的外婆、美味的午餐，心里总是美滋滋的。
这是我心里永远也不会抹去的一段温馨而又美好的童年回忆。然而，就是在这段回忆中，有一个夜晚，夹杂了妖魔身影，使我难忘。
有一次，已记不得是什么原因，我只能独自一人在黄昏后离开外婆家。
我现在还记得很清楚，出了外婆家的门，左拐向东约行50米，过一座长长、窄窄贴近水面的木板桥，再前行约30米，通过一打谷场，折向南沿一条小道，就出了村子。
走着走着，天渐渐地暗了下来。不一会儿，天就擦黑了，又过了不一会儿，绵延在你面前的将是漫无边际的昏暗，你一步步地跨进去，心头的恐惧也一点点地冒出来。我放快脚步，希望能快点回家。一阵一阵耳边有呼号的风声；断断续续有各样的虫鸣，还能依稀听到远处偶然传来的几声犬吠，就是没有一个行人。
天越来越黑了，只是天边还有些亮光。我一瞅天空，真让我瘆得慌：翻滚的乌云不断地变幻着，像是有首无脸、高大无比的凶神恶煞；又像是有眼无珠、面目狰狞的妖魔鬼怪。它们在巨大的天幕上借着强大的风力，飞奔着，时儿离我远去，时儿又向我冲来。吓得我总想看个究竟而又不敢抬头，浑身的感官都处在极度警觉的状态中，准备着应对可能突然出现在身边的响动。
就在此时，我总是觉得身后有什么东西紧随着，步伐与我的脚步同频，我急行，它跟得也急；我奔跑，它跑得也紧。回头看，又什么都看不见；也就在此时，妖魔鬼怪就从我的心里冒出来了。
我跑了起来，紧跑着，拼命跑着，吓出、跑出了一身冷汗，总算奔进了家门，结束了这段恐怖之旅。
这段童年的经历，使我有了一个猜测：精怪之类的异物，不是来自黑暗的森林，也不是来自深山的洞穴，更不是来自荒郊的坟岗。自然界中并不存在妖精与鬼怪，而是特定外部环境孕育了这些精怪的种子，播撒到人们的心里，发了芽，长了出来，再通过“亲历者”带有感情色彩的口说、手写，就传给别人，又经别人的渲染、夸大，向外传播、扩散，各式各样的魑魅魍魉就跑到世界上来了。
又经一段时间的琢磨，我就断定，妖魔鬼怪一定是从人的心里跑出来的，只要有人居住的地方，就可能存在关于精怪、魔鬼之类的荒诞传说。
二、东西方妖魔之说
地球是人类共同的家园。人类面对这个唯一的共同的生存环境必然会提出若干共同的看法，形成许多共同的观点与概念。然而，由于地域、环境、个人经历和思维方式的差别，这就形成对同类事物在概念和看法上的差异。对于妖精与魔鬼等异物，也是如此，东方有，西方也有，但一定会有差别。
我国文化中多有妖精，主要是指某些植物、动物和工具，吸日月之精华，幻化成人形，成了妖精。妖精中以狐狸精居多，还有蛇精、蜘蛛精、琵琶精、树精、花精等。流传较广的狐狸精，通常是出没在荒郊野岗之中，夜深人静幻化成美貌女子，迷惑、勾引那些良善的白面书生。
这些妖精也不都是邪恶的，在我国有影响的文学作品《白蛇传》中，蛇精与书生发生了恋情，此蛇精刚烈柔美、有情有义，人们对这样的蛇精非但不害怕，还生出爱怜之心。在我国另一部文学名著《聊斋志异》中，也描述了许多花妖狐魅与书生相恋，生出许多缠绵幽怨的爱情故事，这些妖精心地善良、知恩图报，人们非但不把它们当妖孽，还觉得它们善良正义，带有一种神奇飘逸的仙气。
西方文化中多有魔鬼与神仙。当代美国科学家和科普作家卡尔·萨根在他的《魔鬼出没的世界》（2015年海南出版社）一书中，就有对这一内容的介绍。
书中说，古代人普遍地信鬼。人们不认为鬼神是超自然的东西，而都属于自然。
古希腊的哲学家苏格拉底和他的学生柏拉图都相信鬼的存在，认为“任何神鬼之物都介于上帝与人之间”。鬼神不但存在，而且有重要作用，仁慈的上帝，以他对人类的慈爱，给人类派来了鬼神，使人与上帝之间通过它们发生联系。
鬼神是高级种族，它们的悠闲、快乐一点不亚于我们人类。这些鬼神在关照人类，给人类以和平与尊重，让秩序与正义永存。柏拉图的弟子亚里士多德还认为人类的梦就是由鬼制造的。还有神学家说：“它们居住在天空中，与星星为伴，与云彩交谈。”
古基督教思想家、神学哲学的代表奥古斯丁(354—430)说：“众神占据了最高的位置，人处于最低的地方，魔鬼居于中间……他们的身体不朽，但思想情感与人无异。”在他的历史哲学名著的传世之作《上帝之城》中，描述了鬼所具有的特性，提出了与苏格拉底等人不同的看法。他认为它们毫无例外地都是邪恶的，丝毫没有救苦救难的品质。它们是灵魂和肉体邪恶的源泉。他把它们叫做“虚无缥缈”的动物……它们声称能在上帝和人之间传递消息，把自己伪装成上帝的天使，但这种伪装是陷阱，引诱我们走向毁灭。它们知识渊博，可以装扮成任何样子。
上面说到的无论是东方的妖精还是西方的鬼神，事实上都是人们通过想象制造出来的异物，都是人类心灵的产物。
本文要说的麦克斯韦妖，当然也不例外，是一位智者心灵的产物。
三、妖的出生与登台
构造这只妖精的是英国物理学家麦克斯韦（1831--1879），因此小妖就以他的大名命名，叫“麦克斯韦妖”。麦克斯韦可是物理学世界中鼎鼎大名的人物。他是经典电动力学创始人，这个理论的核心——一组美妙的方程，就是以他名字命名的。他还是经典电磁场理论和气体分子论的奠基人之一。爱因斯坦正是对他创建的理论深入研究，提出了光速不变、时空弯曲，建立了相对论。
这个妖精是在1867年出生的，比拉普拉斯妖晚出生了近200年，至今也有150多岁的高龄了。因为就在这一年，麦克斯韦在致友人泰勒的一封信中，首次提出了这只妖，其内容大致是这样的。
若有一个充有气体的容器，中间有一隔板，均分容器为左、右两室。隔板的中央有一小孔，孔上置一阀门，此阀门的打开或关闭均是无摩擦的滑动。打开阀门，左、右两室相通，两室中的气体分子可自由往来；关上阀门，左、右两室相隔，两室中的分子不得往来。
设想有一小精灵，盯守在阀门旁。它能看清容器内每个分子位置和运动的踪迹。当它见到阀门口有向右运动的快速分子时，立即“开门”，让其进入右室，然后随即“关门”，禁止分子左、右通行；又当见到阀门口有向左运动的慢速分子时，也立即“开门”，让其进入左室后，随即“关门”。这样，小精灵操作一段时间后，容器的两边就有了差别：右室分子的平均速率要高，按分子动理论，其室温比左室要高。这个小精灵在忙忙碌碌地操作的过程中，使系统有了差别，又因为阀门的移动无摩擦，可认为没有做功，也就不用消耗一点能量。
英国物理学家，热力学的开创者开尔文（1824—1907），就把这个手脚麻利、感官敏锐，有智能又不消耗能量的小精灵称作麦克斯韦妖。
到了1870年麦克斯韦致物理学家瑞利的信中再次提到这个“非常机灵、具有显微眼的守孔人”。到了1871年，麦克斯韦把它写进了《热的理论》这本教课书中，并作了这样的阐述：“如果我们设想一个精灵，其感官能敏锐得足以追踪每一个运动中的分子。……它将能做出我们所做不到的事情。”
为了使大家对这个小妖的工作有更深入的认识，下文作进一步的分析，看一看小妖的工作意味着是什么。
为便于讨论，先来设定能被隔板均分充有气体的容器内的两种状态。
如果右室的分子运动的平均速率高于左室中分子的平均速率，表示左、右两室是有差别的状态，称作A态；如果容器中间的隔板是打开的，左、右两室是宏观上没有差别的均匀状态，称作B态。显然，A态相比于B态，因为有了压强、温度的差别，就是一个较有序的状态。
假如开始时，充气容器是在B态，而在阀门的小孔旁有一位麦克斯韦小妖，它施展本领，努力工作，一段时间后，这个容器的左、右两室，出现了平均速率与温度的差别的A态，而且，小妖在这个过程中不消耗能量。
小妖的工作本质就是把原本无差别、无序的B态，变得有差别、有序的A态，使原本不可逆的状态发生了逆转。
自然界里有许多不可逆的现象，如果这个小妖神通广大，可以把一切不可逆的现象，都能逆转过来，使原本的B态变成A态，那么，它的工作意义究竟意味着什么？这个世界将会怎么样的呢？
这当然是一个有意思的问题，正因为“有意思”，当这只妖踏入物理学的殿堂之后，倍受几代科学家的关注，有关它的讨论一直持续到今天。
四、妖的模样和本领
知道了妖精是那一年出生的，又是如何进入物理世界的，有什么样的本领，接下来也许很想知道这个妖长什么样子，有多大的本领。上世纪有一位一流的科学家描述了它的长相，也说到了它特有的本领。
乔治·伽莫夫（1904--1968），是俄裔美籍著名的物理学家和天文学家，在我的随笔中会有多处提到他。他在基本粒子、核裂变、核聚变等方面都作出了许多重要贡献。在上世纪40年代，他就预言了我们今天生活在其中的宇宙是源于一个原始火球的大爆炸，至今还留有爆炸留下的余烬。他还是最早从微观的角度用物理学、数学及化学研究生物学的开创者之一。
伽莫夫非常重视科学普及工作。我国读者熟悉的两本名著《从一到无穷大》（2002年科学出版社）和《物理世界奇遇记》（2008年科学出版社出版）都是他的杰作。正是在《物理世界奇遇记》中，他描述了麦克斯韦妖是个什么样子，这是我唯一能见到的关于麦克斯韦妖是什么模样的描述。
书中是这样写的：麦克斯韦妖，男性，细高个儿，橄榄色的皮肤，长着一个又长又尖的鼻子，那双绿色的眼睛似乎炽燃着一种奇怪的、强烈的火焰，额头上的黑发中长着两只怪异的角，这样的角只有在欧洲早年的传说中的妖精鬼怪才有。
在《物理世界奇遇记》中，不但讲了妖精的样子，还说到了这个小妖的绝门技艺。 小妖能把你微缩成与它差不多大小，再把你带到微观世界里，进行一次匪夷所思的遨游。它先带你到威士忌液体表面附近的很小一区域进行观察。你将看到的这里是由大量的球构成的汪洋大海。大海的表面在不断地翻腾着，偶然有几个球突然冲出海面，可以从你的身旁掠过；偶然也有在空中飞舞的小球潜入到海中，消失在千千万万个小球下面。小妖还会告诉你：这些球都是构成威士忌液体的分子，可以分作两种：比较小的象网球那样的圆球是水分子，而比较大的象橄榄球那样的是乙醇分子。
你还看到在海面上有一对正在戏水的鲸鱼。小妖会告诉你，那不是鲸鱼，那是烧糊了大麦非常细小的碎片，而正是这些配料使得威士忌具有它独特的香味和颜色。这些细小碎片的一小块都是有几百万甚至几千万个复杂的有机分子组成的。你看到它们不断地转来转去，那些特别小的碎片，能这儿、那儿地乱跑，都是由于它们被那些因热运动而变得非常活跃水分子和乙醇分子撞击，而产生的这种像醉汉一样的无规运动。这就是你在物理课本中学到的所谓“布朗运动”。
跟着这位小妖再往前走，还可以看到小妖的精妙表演。小妖手拿一只像网球拍那样的器械，将周围飞得特别快的分子拍击到海洋中的一个小区域里，它的表演既准确又迅速，也许世界上所有网球冠军在它的面前也大为逊色。小妖才干了几分钟，海洋表面的这个小区域里的球就激烈地翻腾着，像是已经沸腾了一样。这是小妖准确的拍击这些运动快的分子落到这个小区域里，才使得这里沸腾起来的，这是一件不可思议的事情。
小妖还滔滔不绝地说，如果我不干这个活，这些“快分子”就不会自发地聚集在一起，这海洋的部分表面也就不会沸腾起来。假如是让这些“快分子”机缘巧合自发地聚集在一起，形成沸腾，这样的机会小到不可思议，你一辈子守在这里也是不会看到的，大概要几十亿年才可能出现一次。今天你能看到的这个现象，应当是够幸运的了。
从它出色的表现中，你可以看到小妖只有微小的身躯，大概相当于分子、原子之类的大小，100万个小妖并排在一起，也没有头发丝宽，但它有超凡的能力。它的眼睛能看清每一个分子是如何运动的；它能记得各分子的位置和运动的情况；它能准确地挥动细小精巧的“网球拍”，想拍打那个分子就能打到那个分子，想把这个分子打到那里就能打到那里。它完成这样高难度的动作，不但反映了它的感觉灵敏、动作快捷，还表明它还能收集每个分子运动的情况，存储、记忆这些分子运动的信息，由此来迅速决定如何挥拍，使它的拍击准确而有效。
五、让人瞠目结舌的妖术
妖，通常被视作是异类，并有异迹。
麦克斯韦妖的表现，有异迹。仔细分析它的“妖术”，不是孙悟空那样能上天、入地，有七十二般变化；也不是《聊斋》中狐仙那样能幻化人形，忽隐忽现；更不是元曲《十样锦》中所描写的“变昼为夜，撒豆成兵，挥剑成河，呼风唤雨”。
它的本领是把一个系统中粒子的状态，可以按速度的大小进行分类，使系统出现了差别与秩序（从上述的B态到A态）；或者说，可以把系统中粒子，统统按原路回复到过去，把原本不可逆的状态（上述的B态），逆转回去（变成A态）。
总之，是把一个巨量粒子构成的不可逆的系统，从它现在的状态，逆序地变化到原来的状态。
为了更好地说明小妖的绝活，可以把小妖的“妖术”与魔术师的“魔术”作一个比较。魔术师可以耍一些小的魔术，变条鱼、变朵花；也可以耍大的魔术，如大变活人，变出一架飞机等。同样，麦克斯韦妖能耍小妖术，也能耍大妖术。
下面举几例说明其妖术。
它可以使得一杯温水在没有任何外界的帮助下，使速度大的水分子聚集到杯子的上半部，上半杯的水越来越热，下半杯的水越来越冷；把一杯水倒入海中，能把原来杯子里的分子，一个个都捡回来，悉数送回到那只杯子里。
上面两例是小的妖术，若把这种妖术进行深化与扩展，就会出现大的妖术。
俗话说“生米做成了熟饭”，这是一个不可逆的现象，是一个已成定局无法挽回的事实，而小妖可以把熟饭逆转为生米；我国有成语“覆水难收”，是说泼出去的水收不回来。《西游记》一一回有“泼水难收，人逝难返”；晋人潘岳写的《伤弱子辞》中有“叶落永离，覆水不收”；唐李白在《妾薄命》一诗中有“雨落不上天，覆水最难收”。这是说“人死了不能复活”、“叶离开了树就是永别”、“雨不可能往天上掉”。这些都是不可逆现象，而这里的小妖就可以使其逆转：人能死而复生，叶能返枝变绿，雨能向天而降。麦克斯韦妖就能使这些现象都逆转过来。
中学时看过18世纪著名的讽刺作家斯威夫特写的《格列佛游记》。主人公格列佛游历到勒皮他（飞岛）时，看到了一些科学家从事非常荒唐的科学实验，要从黄瓜中提取阳光来取暖，把粪便还原成食物等。麦克斯韦妖就能从“黄瓜中提取阳光”、“粪便还原成食物”。这也是麦克斯韦妖能耍的大妖术。
从经典力学来看，这个妖的“妖术”，就是把某一个现象中，与之相关的全部物质粒子的运动，都使其发生逆转，让因果链条倒过来，把已出现的结果变成原因，让整个物质的运动沿相反的方向再运动回去。这是一件不可思议的事情。
如果麦克斯韦妖真的登场了，世界由它来操纵与运作，世界将会变成什么样子呢？
在19世纪的70年代，上面提到的给小妖命名的物理学家开尔文，就考虑了这个问题，在一篇短文中提到了这个结果。
他说：“如果宇宙中所有的物质粒子在任一时刻都精确地反向运动，那么自然的进程就将简单地永远反转。瀑布底部飞溅开来的泡沫水花将会聚合到一起；而热运动将会重新聚集起能量，把下落的水聚成水柱并向上运动。物体之间摩擦消耗的热量会重新回到物体的接触面，克服物体原来产生的力，把运动中的物体再次推回去。泥土将恢复到石头的形状，并再聚合到它们原来所在的山体中去。如果关于生命的物质假说是正确的话，人便会逆向生长，具有未来的知识，但是没有了关于过去的记忆，人们的记忆只能是将来而不是过去，最后会变成未出生的状态，重新回到娘胎里去。”
看起来，麦克斯韦妖要真是登场了，任它横行，宇宙间的变化匪夷所思！