让人细思极恐的物理学四大神兽之麦克斯韦妖
今天我们一起来看看让人细思极恐的物理学四大神兽之麦克斯韦妖。
如果你没接触过热力学第二定律，
或许你看不懂这个题目，那也没关系，请仔细听下去，我会用最通俗的语言告诉你。
热力学的第二定律告诉我们：热量只能自发地从高温物体传递给低温物体。
举个最简单的例子：
不做任何干预，把一冷一热两杯水倒在一起，
热的水会迅速将热量传给冷的水，最终达到相同的温度。
在学习热力学的第二定律后，你是否思考过：热量只能自发地从高温传递给低温，
随着热量的不断传递，高温物体变得不在高温，低温物体也不在低温，
世界会不会从此变成一片死寂？
1871年，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，
设想一种“妖”，可以对抗热量单向传递，
保证世间有源源不断的能量可用。
他设想了一个思想实验。
在这个实验当中，一个妖怪控制着两个气体舱之间的一扇小门。
当独立的气体分子接近门时，妖怪迅速的打开和关闭门。
快速的分子进入其中的一个腔，慢速的分子进入另外一个腔。
因为速度更快的分子温度更高，妖怪的动作导致一个腔室升温，另一个腔室降温，
从而减少熵，违反了热力学第二定律。
这是第二类永动机的一个范例。
热力学第一定律出现后，人类制造第一类永动机的梦想破灭。
永不放弃的人类，于是想到了制造第二类永动机。
热力学第二定律的提出，直接宣判了第二类永动机的死刑。
热力学第二定律其实就是熵增定律一种体现，
任何孤立的系统，它的总熵永远不会减少。
自然界的一切自发过程，总是朝着熵增加的方向进行的，
这个就是熵增加原理。
举个简单的例子，
我们把一罐黄豆从一米高的地方倒下,
不进行任何的关于，
自然而然的黄豆会四处乱蹦直至最后全部停下。
如果没有任何的干预，最终所有停下的黄豆就达到了最终状态，
也就是熵增加到了最大。
没有任何干预的话，黄豆是不可能再回到原来的罐子中的。
熵增原理和麦克斯韦妖的提出引起了科学家的普遍关注，
因此，麦克斯韦妖
与芝诺的乌龟、拉普拉斯兽、以及薛定谔的猫
并称为“物理学的四大神兽”。
随着科学的发展，
有科学家提出控制两个气体舱之间小门的“妖”，
其实并不违反热力学第二定律。
两个气体舱并不是孤立的系统，
它和“妖”本身才构成了一个孤立的系统。
小妖精行使职责本身就要消耗能量，
这会给系统带来热力学熵的增加。
这就像处理信息的 CPU要消耗能量，会散热，
这也是为什么我们的手机一玩游戏就发烫。
因此，总的来说，系统熵的总量没有减少。
这很好解释了“麦克斯韦妖”引发的悖论。
但是问题也随之而来，根据熵增原理，整个宇宙如果看成是一个孤立系统，
即宇宙的混乱程度在不断地增加，如果没有“麦克斯韦妖”的存在，
可以推测出宇宙最终将达到“热寂”状态，因为所有恒星都在以同样方式散发热能，
最终达到热平衡状态，宇宙每个地方的温度都相等，
能源枯竭，世界从此变成一片死寂。
当然，也有很多人提出了不同的看法，首先，宇宙会是一个孤立系统吗？
如果宇宙不是一个孤立的系统，那么宇宙之外的世界又是什么呢？
其次，也有人认为：热力学第一、二定律，
只适合有限空间、有限物系，而宇宙是无限空间，无限物系，
因而热力学定律不能推广到整个宇宙。
再者，有人认为宇宙的存在是一个“循环”过程，
宇宙可能永远不存在，也可能永远存在。
当它达到最大值时，它开始再次崩溃，变成奇点，宇宙毁灭，
当它达到最小值时，然后爆发，宇宙重生。
另外，随着量子力学的不断发展，只存在于人类思想中的“麦克斯韦妖”，
或许会真的出现在让人匪夷所思的量子世界的实验中。
无论如何，我们都无需担心，人类对世界的探索永不止步，
我们坚信热力学意义上的宇宙“热寂”状态永远不会到来。
现阶段虽然有很多东西我们无法解释，
科学的发展告诉我们，只要不放弃希望，我们终会有所发现。
正如数学家希尔伯特所说：我们必须知道，我们必将知道。
来自：草蜢科学馆