麥克斯韋妖因何神奇

李淼

一群濱州州立大學(xué)的物理學(xué)家用一種神奇的方式實(shí)現(xiàn)了更加神奇的麥克斯韋妖，這只妖不是一個(gè)一個(gè)地觀察原子，而是一次性地觀察了所有原子。這種方法使得他們得到創(chuàng)紀(jì)錄的低溫度。

麥克斯韋是19世紀(jì)人，他提出的一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)，就是著名的麥克斯韋妖。今天，我們?yōu)槭裁匆勥@個(gè)老話題呢？原因是，最近有一群物理學(xué)家利用麥克斯韋妖將一群處于很冷很冷狀態(tài)的原子變得更冷，這個(gè)方法將來也許可以用來實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算。

那么，什么是麥克斯韋妖呢？

我們知道，導(dǎo)熱現(xiàn)象有一個(gè)很常見的規(guī)律，就是熱量從來都是從溫度高的地方向溫度低的地方傳導(dǎo)，比如說，我們將冰塊放進(jìn)一杯溫水里，稍微等一下，冰就會(huì)融化。這個(gè)現(xiàn)象說明原本是冰的那塊固態(tài)水吸收了周圍溫水的熱量融化了，而周圍的溫水因?yàn)獒尫懦鰺崃繙囟纫步档土耍@就是熱量從溫度高的地方向溫度低的地方流。我們從來沒有見過相反的現(xiàn)象：本來溫度一樣的一杯水，突然中間一塊水結(jié)成了冰，而周圍的水溫度更高了。

溫度低的地方只會(huì)吸收熱量，溫度高的地方只會(huì)釋放熱量，這是常識(shí)，在物理學(xué)中這個(gè)現(xiàn)象被總結(jié)成一條定律，就是熱力學(xué)第二定律。

1871年，英國著名物理學(xué)家麥克斯韋設(shè)想了一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)，他假想，將一杯水用一塊板隔開，這塊板是絕熱的，也就是不傳遞熱量。然后，在板上開一個(gè)特別小的窗口，每次，只有一個(gè)水分子可以通過。再接下來，設(shè)想一個(gè)很小很小的小人兒，也就是麥克斯韋妖了，這個(gè)小妖站在那個(gè)很小的窗口觀察，當(dāng)看到一個(gè)速度較高的水分子，他將這個(gè)分子放進(jìn)窗口的右側(cè)；當(dāng)他看到一個(gè)速度較低的水分子，他將這個(gè)分子放進(jìn)窗口的左側(cè)。隨著時(shí)間的流逝，右側(cè)水中的水分子速度都比左側(cè)的水分子速度高。那么，結(jié)論是什么呢？因?yàn)辂溈怂鬼f在此之前就知道，水的溫度高，水分子的速度就大，水的溫度低，水分子的速度就小。于是，麥克斯韋妖實(shí)現(xiàn)了一件事，左側(cè)的水溫度越來越低，右側(cè)的水溫度越來越高，也就是說，左側(cè)水的熱量向右側(cè)水流。這完全違反了我們的常識(shí)，也就是違背了熱力學(xué)第二定律。

熱力學(xué)第二定律在物理學(xué)中幾乎是一條鐵律。除了溫度高的熱量向溫度低的地方流，還有很多類似的現(xiàn)象。比如說，一滴墨水滴進(jìn)清水里會(huì)散開，我們不會(huì)見到相反的現(xiàn)象，散開的墨水會(huì)突然聚攏成為一滴墨水。用更加流行的話來說，熵只會(huì)越來越大，而不會(huì)越來越小。更加常見的例子是，我們不用耳機(jī)線時(shí)會(huì)將耳機(jī)線整理好，放進(jìn)口袋里，但非常惱人的是，我們再掏出耳機(jī)線時(shí)，這個(gè)耳機(jī)線不出意外地總是又亂成一團(tuán)。

回到麥克斯韋妖。這只小妖如果存在的話，就會(huì)將熵變小，事實(shí)上，如果溫度低的水溫度越來越低，溫度高的水溫度越來越高，熵確實(shí)會(huì)越來越小。既然這樣，麥克斯韋妖做到了讓一杯水的熵變得越來越小。這當(dāng)然違背了熱力學(xué)第二定律，因此，麥克斯韋妖應(yīng)該不存在才對。

那么，最近為什么有人能夠利用麥克斯韋妖將一群冷原子變得越來越冷呢？其實(shí)，在上世紀(jì)中葉，就有物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，麥克斯韋妖可以實(shí)現(xiàn)，但并不破壞熱力學(xué)第二定律。為什么可以這樣呢？因?yàn)?，假設(shè)麥克斯韋妖實(shí)現(xiàn)了，它每次開窗口的時(shí)候，其實(shí)自己要在別的地方拿來能量，否則開了很多次窗口它會(huì)累死。這種消耗能量的過程，讓整體的熵變大。最近，一群濱州州立大學(xué)的物理學(xué)家正是用一種神奇的方式實(shí)現(xiàn)了麥克斯韋妖。只不過，他們的麥克斯韋妖更加神奇，這只妖不是一個(gè)一個(gè)地觀察原子，而是一次性地觀察了所有原子。這種方法使得他們得到創(chuàng)紀(jì)錄的低溫度。