怎样通俗地解释一物理学中的“麦克斯韦妖”?

未来探索菌


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。


潇轩


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。


好啦!我的答案就到这里,喜欢我们答案的读者朋友,记得点击关注我们——艾伯史密斯!


艾伯史密斯


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。


讲科学堂


许多人认为,只要考虑了信息,妖获取信息需要消耗能量,是一个熵增的过程,则整个系统就仍然是熵增的。

是的,这个说法没错,在由气体系统和妖组成的大系统中,熵是增加的。但是,妖与气体系统是两个独立的系统,两者之间无任何物质和能量的输入或输出,也就是说,仅看气体系统,这个系统与外界,包括与妖之间没有物质和能量的输入输出,在妖不断的打开和关闭阀门一段时间后,气体系统的能量没有改变,但熵却减少了。这显然与熵增原理相矛盾。

我曾看到一个稍微靠谱的解释,仅考虑气体系统,说,妖要获取关于每个气体分子能量的信息,就必须对这些分子进行测量,但测量的过程,不可避免的会对气体分子的运动产生干扰。也就是说,妖与气体系统之间并不是完全独立的,而是有能量的传输,因此,导致了气体系统(不是气体与妖组成的大系统)的熵增,而且这个熵增会大于妖打开或关闭阀门给气体系统带来的熵减。这个解释不能不说有点靠谱。但是,妖,既然是妖,就具有无边的法力,它完全不需测量,或者进行了测量,但却根本不会干扰气体分子的运动,则这个法力无边的妖,仍能使气体系统违反熵增原理。

即使考虑了信息,麦克斯伟妖所带来的问题仍然存在,并没有得到解决。所谓的问题解决,其实是偷换了概念,把气体系统偷换成了气体和妖组合成的大系统。


董加耕


麦克斯韦妖是为了拯救宇宙而想出来的妖精。热力学第二定律说,自然状态下,系统的熵值只会增大。科学家用这个定律给宇宙算命,算出来的结果把科学家吓哭了,宇宙会变成一个热寂世界,也就是死掉,一丝生气都没有。因为只要有产生新东西出来,必然有熵减。而熵减在自然状态下不可能,所以宇宙完全死翘翘一直到永远。

科学家把自己吓坏了,赶紧想办法拯救宇宙,想出一个最简单的上帝,叫麦克斯韦妖。


分享到:


相關文章: