我们何尝不是麦克斯韦妖，却总也逃不过热力学第二定律的宿命

  最近在读《悖论-破解科学史上最复杂的9大谜团》，比较烧脑，是英国“科普界的明日之星”Jim Al-Khalili的巅峰之作，是一本放大心眼，放慢脚步，值得沉思的科普读物！

我们何尝不是麦克斯韦妖，却总也逃不过热力学第二定律的宿命

  今天读到了科学史上著名的麦克斯韦妖悖论，之所以著名是因为此悖论花费了世界上的科学金脑袋们一个多世纪的时间来论证，还差点推翻了科学史上至高无上的热力学第二定律。

    先来介绍一下热力学第二定律的内容。热力学第二定律规范了热与能量如何传递与运用，即热能必定从高温往低温处流动，永远不会跑错方向，而且在达到热平衡、温差降为零之前都不会停止。比如将一只冷冻鸡放在热水瓶上，那么我们会预料到鸡会解冻热水瓶会降温，我们不可能看到热能往反方向传递，让热水瓶温度更高，冻鸡变得更冰。

  麦克斯韦妖悖论的构想，是有一个绝热的箱子，有这么一个精灵，具有很好的视觉，能够辨认出快速运动分子和慢速运动分子。而温度的分子定义是分子相互碰撞的速度越快，温度越高，反之温度越低。而此精灵会让运动快的分子和运动慢的分子单独分开，从而让箱子左右温度产生温度差，破坏了热平衡，因而不符合热力学第二定律。具体如下图所示：

图1:绝热箱中空气分子相互碰撞达到平衡 图2:Maxwell 妖的干预使绝热箱左右两侧产生温度差

    在与麦克斯韦妖搏斗的科学家中，有一名科学家兼发明家不得不提，他就是匈牙利的利奥·西拉德，在1928年到1932年期间，他发明了史上最重要的几部机器，分别是：1928年的线性粒子加速器，1931年的电子显微镜，以及1932年的回旋粒子加速器。不可思议的是，他对他的发明，构想甚至建造机器的原型懒得发表或申请专利。这三项发明至今仍用于科学研究上，其中两项为其他物理学家赢得了诺贝尔奖，得主分别为美国的欧内斯特·劳伦斯，因发展回旋粒子加速器而得奖，德国的恩斯特·卢卡斯因首度建造出电子显微镜而获奖。

    1929年西拉德发表了《关于热力学系统中因为智能生物介入所造成的熵降低》一文，文中提到了麦克斯韦妖，或者被称为“西拉德引擎”。在讲该文章的内容之前，我们先了解一下熵的概念，熵是热力学第二定律涉及的一个重要概念，是表示系统的混乱程度的，是一种无序性的量度。西拉德所发表的这篇文章中不只触及了麦克斯韦悖论的物理程序，还指出了正是因为麦克斯韦妖具备智慧以及分子状态的相关知识，才使得结果大为不同，而获得这些知识是必须付出能量的。麦克斯韦妖在脑海里将信息组织起来的过程需要耗能，从根本上讲信息其实不过是大脑记忆库中的某种有序状态，亦即某种低熵态。当我们拥有愈多信息，我们的大脑就更结构化与组织化，熵也就愈低。这个保有信息的低熵状态赋予我们做功的能力，信息就像储存的电池用来降低别处的熵。麦克斯韦妖悖论由此被推翻，捍卫了熵必定增加的热力学第二定律至高无上的地位。

    熵是时间流逝的箭头，著名物理学家薛定谔提出了生命的本质是负熵，如果说熵是无序的量度的话，那负熵是描述有序状态的！他指出:一个生命有机体的熵是不可逆地增加的，并趋于接近最大值的危险状态,那就是死亡。所以我们人类在向死而生，想生必死的路上，努力的学习各种科学文化知识，不断吸取负熵，增强对外做功的技能，来尽可能的抵消我们自身不断增加的熵，成为一个个的麦克斯韦妖，却总也逃不过热力学第二定律的宿命！