​麦克斯韦妖是什么，为何纠缠物理学界一百多年？

麦克斯韦妖是什么，为何纠缠物理学界一百多年？

妖怪之类的从来都只存在于古代的传说中，然而在物理学界，也有个假想出来的妖，叫做麦克斯韦妖，而这究竟又是个什么东西呢?

麦克斯韦妖（Maxwell's demon），是在物理学中假想的妖，能探测并控制单个分子的运动，于1871年由英国物理学家詹姆斯·麦克斯韦为了说明违反热力学第二定律的可能性而设想的。

如果要评选全世界最伟大的两位物理学家，那么牛顿爱因斯坦将毫无疑问入选，一个人构建了宏观世界的力学体系，一位带我们进入了微观世界，探索这茫茫宇宙。而连接这两位的，毫无疑问是麦克斯韦，他是旧时代的终结者，也是新时代的开创者。

这个所谓的“妖怪”是与热力学第二定律有关的，这个定律的表述为：不可能把热从低温物体传到高温物体而不产生其他影响，或不可能从单一热源取热使之完全转换为有用的功而不产生其他影响，或不可逆热力过程中熵的微增量总是大于零。

在1871年，物理学家詹姆斯·麦克斯韦为了说明违反热力学第二定律的可能性，而设想了这样的一个妖怪，它能够探测并控制单个分子的运动。

这个妖的出现，是由于麦克斯韦意识到了自然界存在有一种与熵增加相抵抗的能量控制机制，而这个熵是热力学中的单位，它的物理意义是表示体系混乱程度的度量。

但又由于麦克斯韦没有办法清晰的说明这种机制究竟是怎样的，就干脆假想出了一个妖怪。

据说剑桥某位物理学家有一次恭维爱因斯坦说：“你站在了牛顿的肩上”，爱因斯坦却回答：不，我是站在麦克斯韦的肩上！

麦克斯韦方程可以说是浓缩了麦克斯韦的毕生成果，让无数物理学家前赴后继去研究，但除了麦克斯韦方程之外，麦克斯韦放出的麦克斯韦妖，也整整纠缠了物理学家一个多世纪。所以物理学家一直想证明麦克斯韦妖的存在！

在麦克斯韦构想中，麦克斯韦妖有极高的智能，可以追踪每个分子的行踪，并能辨别出它们各自的速度。妖精掌握和控制着高温系统和低温系统之间的分子通道。它利用了分子运动速度的统计分布性质。

通过这样一个能够控制分子运动的小妖精，只允许快分子从低温往高温运动，慢分子则从高温往低温运动，在“小妖”的这种管理方式下，两边的温差会逐渐加大，高温区的温度会越来越高，低温区的温度越来越低。

我们知道永动机是不可能存在的，于是人们想到了第二类永动机，这个麦克斯韦妖就是第二类永动机的范例。这个装置所吸收的热量最终是能够作为驱动永动机的源头。

于是后来在1881年，约翰·嘎姆吉开始着手设计了一个利用海水的热量将液氨汽化，推动机械运转。

但是这一装置无法持续运转，因为汽化后的液氨在没有低温热源存在的条件下无法重新液化，因而不能完成循环。所以物理学界的这个妖怪，也只能存在于假想之中，不可能真是存在。

时至今日，科学家依然不敢说彻底斩杀了“麦克斯韦妖”，但是可以确定地说，兰道尔已经彻底将“麦克斯韦妖”从热力学第二定律中驱逐了出去。

“麦克斯韦妖”的探索其实也就是人类对于能量与信息之间的本质关系的探索，同时也是人类对于漫漫宇宙的思考，那就是在浩渺宇宙，会不会存在这样的一个地方，违背人类认知中的所有规则与定律，还是整个宇宙就是一个超大的孤立系统，就是完完全全按照其已经存在的法则运行。