麦克斯韦妖的解释
前的物理学妖精首次出现在了实验室里
前的物理学妖精首次出现在了实验室里图1：单电子麦克斯韦妖：系统是只含一个电子的盒子，与一个外势场相连。
麦克斯韦妖监控着盒子所带的电荷，假设一个电子〔蓝色〕进入盒子，妖精就会立刻施加一个正电荷把它约束在外面〔左〕，而假设电子分开盒子，妖就施加一个负电荷把它困在外面〔右〕。
这个系统与麦克斯韦所想象的经过开关门的方法把速度快的粒子和速度慢的粒子隔开的系统等价。
麦克斯韦妖曾经在物理学家心目中盘旋了近150年。
这个妖精最后由物理学家麦克斯韦〔James Clerk Maxwell〕提出，可以依据粒子的速度对它们停止分类，从而可以在一团气体中将热量从冷的区域传递到热的区域。
乍一看这似乎违犯了热力学第二定律，但留意到假设想让妖精正确执行指令，就得经过外界对它做功，因此妖精与盒子的体系不是一个封锁体系，这就处置了悖论。
但是，这个解释不能完全令人满意，由于它引入了一个外界的——还不一定是物理的——存在来对妖精做功。
来自芬兰阿尔托大学的尤卡·佩科拉〔Jukka Pekola〕及其同事最近在实验中制造出了一个无需外力做功、能自我运转的麦克斯韦妖的等价体，从而消弭了对这个〝外力〞的依赖。
这个完全自给自足的自动设备也被称为〝信息机器〞〔information machine〕，在此之前它不时只存在于迷信家的想象中，而这一实验也提供了一个新方法来检测热力学基本定律和信息处置实际。
19世纪后半叶，热力学第二定律还是个新颖事物。
该定律用来解释一些特殊的热力学现象，如热量不能在不做功的状况下从冷的物体传递给热的物体〔克劳修斯表述〕，以及热机的效率不能够到达100%〔卡诺定理〕。
但也有物理学家质疑该定律是对一个描画少量粒子平均行为的系统成立，还是对每一个粒子都成立。
为说明这种平均效应，著名物理学家、统计物理学先驱麦克斯韦在1867年给同事彼得·泰特〔Peter Tait〕写信，提到了一个看似违犯克劳修斯表述的思想实验：想象有一个充溢了气体分子的盒子，分红两局部，中间有一个可以开闭的门，门边坐着一个特别灵巧的妖精，可以测量气体中每个粒子的速度并相应地将门翻开或封锁，让速度较快的粒子去往左边，速度较慢的粒子去往左边。
麦克斯韦妖 物理学假想的能探测并控制单分子运动的机制
麦克斯韦妖物理学假想的能探测并控制单分子运动的机制麦克斯韦妖是一个物理学假想实验，它提出了一种能够探测并控制单分子运动的机制。
麦克斯韦妖的提出源于物理学中一个著名的问题：热力学第二定律。
这个定律表明，一个孤立系统的熵（即系统的无序程度）总是会增加，而不会减少。
这似乎表明了我们无法将热能完全转化为其他形式的能量。
然而，麦克斯韦妖的假设是我们可以制造一种智能的装置，它能够探测到系统中各个粒子的自由度和它们的运动状态，并且能够对其进行精确控制。
这样的装置被称为“麦克斯韦妖”，因为它能够“知道”粒子的状态并对其进行控制，就像一个“鬼神”一样。
麦克斯韦妖的假设是基于一个思想实验：如果我们能够在系统中观察和控制每个粒子的状态，那么我们就能够选择只和我们想要的粒子发生相互作用，而不和其他粒子发生作用。
在此假定下，我们可以选择只与速度较快的粒子发生作用，而使速度较慢的粒子保持相对静止。
通过这种方法，我们可以使整个系统的熵减小，从而违反了热力学第二定律。
然而，麦克斯韦妖假设的核心问题是：如何实现对单个粒子的观察和控制？在经典物理中，这个问题是不可行的，因为根据量子力学的不确定性原理，我们不能同时精确测量一个粒子的位置和动量。
在量子物理中，测量一个微观粒子的状态会对其产生干扰。
例如，如果我们测量一个粒子的位置，我们必须使用一个与粒子相互作用的探测器。
这个过程会改变粒子的状态，使其具有一定的不确定性。
同样，如果我们想要控制粒子的运动状态，也会对其产生干扰。
因此，根据量子力学的基本原理，麦克斯韦妖的假设是不可行的。
虽然我们可以通过一些技术手段来观测和控制单个粒子，例如利用扫描隧道显微镜和激光冷却技术等，但这种观测和控制过程仍然受到不确定性原理的限制。
另一方面，即使我们忽略量子效应，麦克斯韦妖的运作也会遇到巨大的困难。
对于一个包含大量粒子的系统，要精确地观测和控制每个粒子的状态是一项极其复杂和庞大的工程。
更重要的是，实际上很难对粒子的状态进行恢复，因为我们无法得知所有粒子的初始状态。
Maxewell妖与信息
麦克斯韦妖是在物理学中，假 想的能探测并控制单个分子运动 的“类人妖”或功能相同的机制， 是1871年由19世纪英国物理学家 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。
中文名：詹姆斯· 克拉克· 麦克斯韦 外文名：James Clerk Maxwell 国籍：英国 出生地：英国爱丁堡 出生日期：1831年06月13日 逝世日期：1879年11月5日 职业：物理学家，数学家 毕业院校：剑桥三一学院 主要成就：创建英国第一个专门的物理实验室 建立了麦克斯韦方程组 创立了经典电动力学 预言了电磁波的存在 提出了光的电磁说。 代表作品：《电磁学通论》
詹姆斯· 克拉克· 麦克斯韦，英 国物理学家、数学家。科学史 上，称牛顿把天上和地上的运 动规律统一起来，是实现第一 次大综合，麦克斯韦把电、光 统一起来，是实现第二次大综 合，因此应与牛顿齐名。 1873年出版的《论电和 磁》，也被尊为继牛顿《自然 哲学的数学原理》之后的一部 最重要的物理学经典。没有电 磁学就没有现代电工学，也就 不可能J.C.Maxwell）虚构的、 由“小妖精”所控制并能违背热力学第二 定律的小盒子。该盒子被一个没有摩擦并 能密封的闸门分隔为A、B两部分。最初 两边气体温度、压强分别相等，闸门的开 关被小妖精（后人称作麦克斯韦妖）控制。 当它看到一个快速气体分子从A边飞来时， 它就打开门让它飞向B边，而阻止慢速分 子从A飞向B边；同样允许慢速分子（而 不允许快速分子）从B飞向A。这样就使B 边气体温度越来越高，A边气体温度越来 越低。冷者愈冷，热者愈热，这违反了热 力学第二定律。
Maxwell妖的存在，使系统成为敞开 系统，它将负熵输入系统，降低了系 统的熵。因此，从整体上看气体的反 向集中并不违反热力学第二定律，从 信息论的观点看，信息就是负熵， Maxwell所提出的设想实际上是负熵的 引入。
物理学中的三个“妖精”
物理学中的三个“妖精”
物理学中的三个“妖精”
1814年，拉普拉斯提出了所谓“拉普拉斯妖”的概念。
1865年，克劳修斯提出“熵”的概念，并把热力学第二定律表述为“熵增原理”，据此学术界也把熵比喻为“克劳修斯妖”或“熵妖”。
1871年，麦克斯韦在他的《热的理论》中假想有一个神通
广大的“妖精”，被称为“麦克斯韦妖”，在这个“妖精”的作用下，充满容器的气体分子从混合均匀无序状态向非均匀、非对称的有序状态转化。
在科学认识过程中，当某些现象原因尚不明确时，人们会对这些现象产生某种设想，“妖精”就会诞生。
我们把这三个“妖精”贯穿起来，便可以看到它们展示了人类对自然界认识的思想演变历程。
在演化方向上，三个“妖精”揭示了人类对自然
界演化的认识从无到有，从退化到寻求进化的方向。
拉普拉斯设想有一位“神灵”能够确定事物的过去、现在、未来，客
观上排除了事物的演变过程及其复杂变化。
关于克劳修斯的熵增原理，孤立系统的熵值趋向增大，这表明一个孤立系统将由有序状态走向有序递减或无序的状态。
因此，“熵妖”展
示的是一种退化的自然图景。
“麦克斯韦妖”则是在演化方向
上试图提出一个与克劳修斯第二定律相悖的假说。
这种设想，为后来的研究指明了寻找进化方向的基础。
（韩慧英摘）
物理学中的三个“妖精”及其简单性和复杂性思想意蕴--《科学技术与辩证法》
物理学中的三个“妖精”及其简单性和复杂性思想意蕴
/file/20090716237232.html。
1、物理学中十大著名思想实验
物理学中十大著名的思想实验在物理学中，有一类特殊的实验：它们不需要购置昂贵的仪器，不需要大量的人力物力，需要的只是有逻辑的大脑；而这种实验却可以挑战前人的结论，建立新的理论，甚至引发人们对世界认识的重新思考。
这种实验就是传说中的思想实验。
历史上的许多伟大物理学家，都曾设计过发人深思的思想实验，伽利略、牛顿、爱因斯坦便是其中的代表，这些思想实验不仅对物理学的发展有着不可磨灭的作用，更是颠覆了人们对世界对宇宙的认识。
这篇文章将从易到难地介绍一下物理学历史上的几个著名思想实验。
1.惯性原理自从亚里士多德时代以来，人们一直以为力是运动的原因，没有力的作用物体的运动都会静止。
直到伽利略提出了下面这一个家喻户晓的思想实验，人们才知道了惯性原理——一个不受任何外力(或者合外力为0>的物体将保持静止或匀速直线运动：设想一个一个竖直放置的V字形光滑导轨，一个小球可以在上面无摩擦的滚动。
让小球从左端往下滚动，小球将滚到右边的同样高度。
如果降低右侧导轨的斜率，小球仍然将滚动到同样高度，此时小球在水平方向上将滚得更远。
斜率越小，则小球为了滚到相同高度就必须滚得越远。
此时再设想右侧导轨斜率不断降低以至于降为水平，则根据前面的经验，如果无摩擦力阻碍，小球将会一直滚动下去，保持匀速直线运动。
在任何实际的实验当中，由于摩擦力总是无法忽略，所以任何真实的实验都无法严格地证明惯性原理，这也正是古人没有得出惯性原理的原因。
然而思想实验就可以做到，仅仅通过日常经验的延伸就可以让任何一个理性的人相信惯性原理的正确性，这一最简单的思想实验足以体现出思想实验的锋芒！2.两个小球同时落地仍是受亚里士多德的影响，伽利略之前的人们以为越重的物体下落越快，而越轻的物体下落越慢。
伽利略在比萨斜塔上的著名实验人尽皆知，可是很多人不知道的是，其实在这之前伽利略已经通过一个思想实验证明了两个小球必须同时落地：如果亚里士多德的论断是对的话，那么不妨设想把一个重球和一个轻球绑在一起下落。
物理学的四大神兽对应的故事
物理学中的四大神兽分别是薛定谔的猫、芝诺的乌龟、拉普拉斯妖和麦克斯韦妖，它们各自对应着一个有趣的故事。
薛定谔的猫是量子力学中著名的思想实验。
实验中，一只猫被关在一个装有有毒气体的箱子里，而决定有毒气体是否释放的开关是一个放射性原子。
这一理论表明，在量子力学的微观世界中，物质的状态是不确定的，直到被观察或测量时才能确定。
芝诺的乌龟是古希腊数学家芝诺提出的一种悖论。
他假设一只乌龟在前面奔跑，而追赶者的速度是乌龟的十倍。
尽管追赶者可以无限逼近乌龟，但永远无法超越它。
这个问题一直困扰了人类很多年。
拉普拉斯妖是由法国数学家皮埃尔-西蒙·拉普拉斯于1814年提出的一种假想生物。
他认为，如果一个智者能知道某一刻所有自然运动的力和所有自然构成的物件的位置，并能对这些数据进行分析，那宇宙里最大的物体到最小的粒子的运动都会包含在一条简单公式中。
对于这个智者来说，没有事物会是含糊的，而未来只会像过去般出现在他面前。
麦克斯韦妖是为了说明违反热力学第二定律而专门虚构出来的一个妖怪。
这只妖怪可以控制单个分子的运动，从而让这些分子对外做功，进而实现第二类永动机。
这些神兽及其背后的故事，展示了物理学领域的奥妙和神奇，也激发了人们对未知世界的探索精神。
麦克斯韦妖与熵理论
熵理论
熵由Entropy意译而来。1923年，德国物理学家普朗 熵的词源：
克来中国讲学，我国物理学家胡刚复做翻译，苦于无 法将Entropy这一概念译成中文。他根据Entropy为热 量与温度之商，而且这个概念与火有关，就在商上另 加火旁，构成一个新字“熵”。
什么是熵？熵源于热力学，是一种测量在动力学方面不能
二、统计熵
• 1887年，玻尔兹曼从微观角度拓展了热力学熵。他首 先提出了微观态的概念，一种宏观态所对应的微观态 的数目称为热力学概率，用W表示。推广后的熵的数 学表达式如下：
S klnw
式中K为玻尔兹曼常数。该式将宏观量S与微观状态数联 系起来了，揭示了熵的物理内涵——熵与系统微观数的 对数成正比。换言之，熵是系统混乱程度的量度。
如此一来经过一段时间之后容器的右边便是速度较高的分子而左边则是速度较低的分子由于温度反映的是分子的平均动能因此右侧的温度显然比左侧高如此一来我们并没有对这个密闭容器中的气体做功但是这个容器里的气体便自发地分成了高温和低温两个部分这显然是违背热力学第二定律的
麦克斯韦妖与熵理论
组员：黄 争
侯志军
2014年12月18日
三、熵的泛化
• 负熵
1944年，奥地利物理学家薛定谔在《生命是什么？》 中提出了“负熵”的概念。 数学定义如下式：
1 -S kln W
该式说明了负熵的物理意义——对应熵是混乱程 度的量度，负熵是有序性的一种量度。
负熵的意义： 负熵的引入对于熵理论具有里程碑式的意义。它很好 的填平了热力学第二定律与达尔文进化论的鸿沟： 热力学第二定律：孤立系统总朝着无序度增加的方向 发展。 生物进化论：开放系统中生物成长总朝着有序度增加 的方向发展。
在第二定律提出的同时，克劳修斯还提出了熵的概念： S=Q/T，并将热力学第二定律表述为：在孤立系统中，实 际发生的过程总是使整个系统的熵增加。 在这之后，克劳修斯进一步把孤立体系中的熵增定律 扩展到了整个宇宙中，提出“热寂论”：在整个宇宙中热 量不断地从高温转向低温，直至一个时刻不再有温差，宇 宙总熵值达到极大，这时将不再会有任何力量能够使热量 发生转移。
物理学四大妖是什么
物理学四大妖是什么
物理学四大妖是什么
在物理学中也存在着四大妖，和神兽差不多，其实他们四个就是人类想象而成的，只不过在每个妖身上都附加了一些物理知识，可以更好的让人认识物理，了解物理。
下面和小编一起来看物理学四大妖是什么，希望有所帮助！
一、缩地成寸芝诺龟
芝诺龟的主人叫做芝诺，擅长奔跑，任何动物都跑不过这个乌龟，当这个乌龟和海神之子比赛时，海神之子比芝诺龟的速度快十倍依旧没赶上这只乌龟，怎么跑这个乌龟都比海神之子快十分之一，在物理学中是无法超越的，但是后来创造出了微积分，海神之子才超过了芝诺龟。
二、预言先知拉普拉斯兽
据说拉普拉斯兽生活在1814年，它利用牛顿给出的`公式可以很轻松的计算出未来和过去，还利
用了毕达哥拉斯的理论为支点，所以拉普拉斯兽一直被人尊敬，在一百多年后，这个理论被量子力学给击败了。
三、逆转时空麦克斯韦妖
麦克斯韦妖是麦克斯韦想象中的，他想要造出拥有无限力量的机器，虽然一直在努力，但是依旧没有制作出来，到现在人类还一直在制作永动机，但是并没有制作出来，能量在地球上很难一直运动下去。
四、超越生死薛定谔的猫
很多人都说这只猫是真实存在的，薛定谔的猫在实验中是双面性的，空间不同，猫也发生变化，在a空间猫就是死的，但是到了b空间猫就活了，后来出现了量子力学，就让这个猫同时具有了生和死，所以现在也没人确定这个难到底是怎样的。
未解之谜真实麦克斯韦妖
未解之谜真实麦克斯韦妖作者：七君来源：《电脑报》2020年第23期1871年，英国物理学家詹姆斯·麦克斯韦提出了一种看起来违反热力学第二定律（系统自发熵增）的妖怪——麦克斯韦妖。
麦克斯韦妖可以把气体分子按照速度分到两个不同的房间，速度快的一间，慢的一间。
这样一来，速度快的分子所在的那个房间的温度高，另外一个房间的温度低，而利用温差，就可以驱动热机做功，这就是一种理想中的永动机了。
后来，有许多物理学家证明麦克斯韦妖并没有违反热力学第二定律（熵增原理：孤立系统的熵永不自动减少，熵在可逆过程中不变，在不可逆过程中增加）。
今天，我们就来介绍一种不需要输入能量，就可以把注入的气体分成一股热的气流和一股冷的气流的神奇机械。
它并不需要插电，也没有可以移动的部分，因为本质上来说它就是一根管子。
这根管子被不少物理学家叫做麦克斯韦妖管，也叫涡流管。
这个涡流管看起来平平无奇，毫无妖孽之处。
但是用起来之后，男人沉默，女人流泪，学生头秃，老师心碎。
90年来，许许多多的物理学家试图解释它的原理，但还没有谁彻底把它的本质说清楚了。
我们先来看看明尼苏达大学化学系教授Chris Cramer对市售涡流管的测试。
在涡流管中部通入压缩气体之后，长的一端喷出了热气，温度最高时28摄氏度，短的另一端喷出了冷气，温度最低时1摄氏度。
你可能想知道气体在涡流管内部做了什么。
原来，当输入的高压空气沿着长的管子向前流动时开始分层，更热的空气向外圈流动，而冷的空气在内圈流动。
因为热气管的末端中央有物体阻塞，这里只有热气喷出。
而中心的冷空气则向相反方向回弹，从另一端喷出。
输入压强越大，热风和冷风的温差也越大。
为了搞清楚气流在涡流管内的运动，墨西哥的物理学家Porta David等人用塑料和酒瓶塞子做了一个涡流管。
他们的设计和涡流管最初的设计一致，用5.72 个大气压、17摄氏度的气体做实验，发现两个管子喷出的气体温差有15摄氏度。
然后他们在气体里混入了婴儿爽身粉，真相出现了——气体在涡流管内部形成了双螺旋。
麦克斯韦妖热力学第一定律
麦克斯韦妖热力学第一定律全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：麦克斯韦妖是一个虚构的概念，由苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦提出。
在热力学中，麦克斯韦妖被用来讨论关于热力学第一定律的一种思想实验。
热力学第一定律是热力学的基本原理之一，它指出能量在系统内部的转化不能产生净增加或净减少。
麦克斯韦妖的概念源于19世纪中叶，当时人们对热力学的认识逐渐深入，开始探讨能量转化的原理。
麦克斯韦妖是一个想象中的小生物，它可以在系统内部观察微观粒子的运动并且有能力选择性地操作系统中的分子。
根据麦克斯韦妖的设想，它可以通过选择性地操作系统内的分子来实现热量从冷体传递到热体，从而使整个系统不受热力学定律的限制产生能量的净增加。
通过麦克斯韦妖这个思想实验，物理学家们开始思考能否有一种方式来规避热力学第一定律的限制，从而实现对于能量的净增加。
在实际的物理系统中，热力学第一定律仍然是不可逾越的法则。
这说明麦克斯韦妖这个虚构的概念只是一种思想实验，并不能在现实中达到。
热力学第一定律是热力学的基本定律之一，它表明能量不会自行凭空创造或消失，只会在系统内部进行转化。
这个定律具有非常重要的意义，不仅对于理论物理学有着深远的影响，同时也广泛应用于工程技术中。
通过遵循热力学第一定律，科学家们可以更好地理解和利用能量转化的过程，从而提高系统的效率和性能。
麦克斯韦妖是一个令人着迷的概念，但其背后所代表的思想要求我们对热力学的认识和理解达到更深层次。
通过思考麦克斯韦妖这个虚构的小生物如何操作系统内的粒子来得到绕过热力学第一定律的可能性，我们可以更清晰地认识到热力学第一定律在自然界中的普遍适用性和重要性。
【2000字】第二篇示例：麦克斯韦妖是一个神秘的存在，它具有独特的能力去违反热力学第一定律，即能够从一个封闭系统中提取热量，并将其转化为有用的能量。
这个概念最早由物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦在19世纪提出，引发了许多科学家对热力学定律的重新思考和挑战。
麦克斯韦妖
麦克斯韦妖（英语：Maxwell's demon）是在物理学中，假想的能探测并控制单个分子运动的“类人妖”或功能相同的机制，是1871年由19世纪英国物理学家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。
麦克斯韦妖又被称为麦克斯韦精灵。
当时麦克斯韦意识到自然界存在着与熵增加相拮抗的能量控制机制，但他无法清晰地说明这种机制，他只能诙谐的假定一种“妖”，能够按照某种秩序和规则把作随机热运动的微粒分配到一定的相格里。
麦克斯韦妖是耗散结构的一个雏形。
永动机第一类在19世纪早期，不少人沉迷于一种神秘机械——第一类永动机的制造，因为这种设想中的机械只需要一个初始的力量就可使其运转起来，之后不再需要任何动力和燃料，却能自动不断地做功。
在热力学第一定律提出之前，人们一直围绕着制造永动机的可能性问题展开激烈的讨论。
直至热力学第一定律发现后，第一类永动机的神话才不攻自破。
热力学第一定律是能量守恒和转化定律在热力学上的具体表现，它指明：热是物质运动的一种形式。
这说明外界传给物质系统的能量（热量），等于系统内能的增加和系统对外所作功的总和。
它否认了能量的无中生有，所以不需要动力和燃料就能做功的第一类永动机就成了天方夜谭式的设想。
热力学第一定律的产生是这样的：在18世纪末19世纪初，随着蒸汽机在生产中的广泛应用，人们越来越关注热和功的转化问题。
于是，热力学应运而生。
1798年，汤普生通过实验否定了热质的存在。
德国医生、物理学家迈尔在1841?843年间提出了热与机械运动之间相互转化的观点，这是热力学第一定律的第一次提出。
焦耳设计了实验测定了电热当量和热功当量，用实验确定了热力学第一定律，补充了迈尔的论证。
第二类在热力学第一定律之后，人们开始考虑热能转化为功的效率问题。
这时，又有人设计这样一种机械——它可以从一个热源无限地取热从而做功。
这被称为第二类永动机。
1824年，法国陆军工程师卡诺设想了一个既不向外做功又没有摩擦的理想热机。
熵理论与麦克斯韦妖
熵理论与麦克斯韦妖熵是一个极其重要的物理概念，自从熵的概念提出以来，熵就在各个领域发挥了重要的作用。
特别是近几年来，不仅在自然科学与工程技术的许多领域，如物理学、化学、生物学、信息科学与工程、动力工程及制冷工程等会遇到熵的踪迹，就是在社会科学，乃至于人文科学中也经常会碰到熵这一名词。
1.熵理论的发展历程熵概念的发展从提出到今天跨科学的应用，大致可分为五个阶段。
第一阶段是熵概念的提出。
热力学第二定律指出，一切实际自发的热力学过程都是不可逆的，是单项进行的。
熵概念的提出为实际自发过程的方向做出了普遍适用的判据。
同时，也为热力学第二定律的定量表述奠定了基础。
第二阶段是熵概念本质的揭示。
玻耳兹曼方程的确立，赋予了熵的统计解释，即一切宏观自发的过程总是从概率小的方向向概率大的方向进行。
他从微观的角度分析了熵是系统中混乱度的量度。
大大地丰富了熵的物理内涵，明确了它的应用范围。
第三阶段是普利高津等人把传统的平衡态热力学推广到非平衡态，将孤立系统中熵的概念推广到开放系统中的熵，从而产生了非平衡态的热力学。
从而熵的理论被进一步的深化了。
第四阶段是威廉·汤姆逊提出的“热寂”。
宇宙的不断膨胀使它远离平衡的状态，宇宙的熵值不断增加，在遥远的将来熵值将达到极大值，将会发生宇宙的“热寂”。
第五阶段即由麦克斯韦妖的启示，西拉德又发现了熵与信息的关系，揭示了熵含义的新层次，进一步扩大了熵的应用面。
成为了处理复杂信息问题的一个依据。
20世纪以来，产生很多不同的熵，熵的概念在不断地发展着，被应用着。
形成了许多的交叉科学，显示出了熵的强大生命力。
所以，对熵概念的学习也显示出了重要的意义，有人说，熵概念产生的重要性毫不低于能量概念的产生。
1.1熵概念的提出热力学第二定律是有关过程进行方向的规律，它指出，一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的。
若要方便判断过程可逆与不可逆性，更进一步地阐明不可逆性的本质，应能找到与不可逆性相关联的态函数。
物理学历史上的十个最著名的思想实验
物理学历史上的十个最著名的思想实验10月3日，2017年诺贝尔物理学奖在瑞典揭晓，Rainer Weiss，Barry C. Barish 和Kip S. Thorne因引力波探测研究获奖。
引力波探测仪LIGO价格高达6亿美元。
其实物理学实验有时候不需要化一分钱也可以改变世界的，在物理学中，有一类特殊的实验：它们不需要购置昂贵的仪器，不需要大量的人力物力，需要的只是有逻辑的大脑；而这种实验却可以挑战前人的结论，建立新的理论，甚至引发人们对世界认识的重新思考。
这种实验就是传说中的思想实验。
历史上的许多伟大物理学家，都曾设计过发人深思的思想实验，伽利略、牛顿、爱因斯坦便是其中的代表，这些思想实验不仅对物理学的发展有着不可磨灭的作用，更是颠覆了人们对世界对宇宙的认识。
这篇文章将从易到难地介绍一下物理学历史上的几个著名思想实验。
1 惯性原理自从亚里士多德时代以来，人们一直以为力是运动的原因，没有力的作用物体的运动都会静止。
直到伽利略提出了下面这一个家喻户晓的思想实验，人们才知道了惯性原理——一个不受任何外力(或者合外力为0)的物体将保持静止或匀速直线运动：设想一个一个竖直放置的V字形光滑导轨，一个小球可以在上面无摩擦的滚动。
让小球从左端往下滚动，小球将滚到右边的同样高度。
如果降低右侧导轨的斜率，小球仍然将滚动到同样高度，此时小球在水平方向上将滚得更远。
斜率越小，则小球为了滚到相同高度就必须滚得越远。
此时再设想右侧导轨斜率不断降低以至于降为水平，则根据前面的经验，如果无摩擦力阻碍，小球将会一直滚动下去，保持匀速直线运动。
在任何实际的实验当中，因为摩擦力总是无法忽略，所以任何真实的实验都无法严格地证明惯性原理，这也正是古人没有得出惯性原理的原因。
然而思想实验就可以做到，仅仅通过日常经验的延伸就可以让任何一个理性的人相信惯性原理的正确性，这一最简单的思想实验足以体现出思想实验的锋芒！2 两个小球同时落地仍是受亚里士多德的影响，伽利略之前的人们以为越重的物体下落越快，而越轻的物体下落越慢。
麦克斯韦妖
麦克斯韦妖
麦克斯韦妖（Maxwell's demon）是由苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）于19世纪提出的一个思想实验。
这个思想实验涉及到热力学中的第二定律和熵的概念。
根据热力学第二定律，熵在一个封闭系统中总是增加的，也就是说，系统的有序性（或可利用能量）会趋向于减少。
然而，麦克斯韦妖思想实验提出了一个看似违背热力学第二定律的情况。
在麦克斯韦妖的思想实验中，想象有一个非常小的实体（麦克斯韦妖），它具有无限的智慧和能力来观察和操作分子的运动。
这个实体被放置在一个分隔两个区域的盒子中，盒子中间有一个小门。
通过观察分子的运动，麦克斯韦妖可以选择性地打开或关闭门，允许高速运动的快速分子进入一个区域，而让速度较慢的分子进入另一个区域。
通过这种方式，麦克斯韦妖可以使一个区域的分子具有更高的平均动能，而另一个区域的分子则具有较低的平均动能，从而实现能量的分离和有序性的增加。
这个思想实验引发了对热力学第二定律的重新思考，因为它暗示着通过信息获取和操作，可以违反熵的增加趋势。
然而，通过进一步的研究和发展，人们发现麦克斯韦妖的思想实验并不违背热力学第二定律。
在真实系统中，观察和操作分子运动所需的信息和能量消耗会增加系统的熵，从而维持了热力学第二定律的有效性。
麦克斯韦妖的思想实验对理解热力学和信息理论的关系产生了深远的影响，并在热力学和统计物理学的发展中扮演了重要角色。
它也引发了关于信息熵、信息热力学和计算热力学等领域的研究。
物理学上最著名的十个实验
物理学上最著名的十个实验在物理学中，有一类特殊的实验，这种实验却可以挑战前人的结论，建立新的理论，甚至引发人们对世界认识的重新思考。
小编在这里整理了相关知识，快来学习学习吧!物理学上最著名的十个实验1、惯性原理自从亚里士多德时代以来，人们一直以为力是运动的原因，没有力的作用物体的运动都会静止。
直到伽利略提出了下面这一个家喻户晓的思想实验，人们才知道了惯性原理——一个不受任何外力(或者合外力为0)的物体将保持静止或匀速直线运动：设想一个一个竖直放置的V字形光滑导轨，一个小球可以在上面无摩擦的滚动。
让小球从左端往下滚动，小球将滚到右边的同样高度。
如果降低右侧导轨的斜率，小球仍然将滚动到同样高度，此时小球在水平方向上将滚得更远。
斜率越小，则小球为了滚到相同高度就必须滚得越远。
此时再设想右侧导轨斜率不断降低以至于降为水平，则根据前面的经验，如果无摩擦力阻碍，小球将会一直滚动下去，保持匀速直线运动。
在任何实际的实验当中，因为摩擦力总是无法忽略，所以任何真实的实验都无法严格地证明惯性原理，这也正是古人没有得出惯性原理的原因。
然而思想实验就可以做到，仅仅通过日常经验的延伸就可以让任何一个理性的人相信惯性原理的正确性，这一最简单的思想实验足以体现出思想实验的锋芒!2、两个小球同时落地仍是受亚里士多德的影响，伽利略之前的人们以为越重的物体下落越快，而越轻的物体下落越慢。
伽利略在比萨斜塔上的著名实验人尽皆知，可是很多人不知道的是，其实在这之前伽利略已经通过一个思想实验证明了两个小球必须同时落地：如果亚里士多德的论断是对的话，那么不妨设想把一个重球和一个轻球绑在一起下落。
由于重的落得快而轻的落得慢，轻球会拖拽住重球给它一个阻力让它减速，因此俩球的下落速度应该会介于重球和轻球下落速度之间。
然而，如果把两个球看成一个整体，则总重量大于重球，它应当下落得比重球单独下落时更快的。
于是这两个推论之间自相矛盾，亚里士多德的论断错误，两个小球必须同时落地。
麦克斯韦妖 物理学假想的能探测并控制单分子运动的机制
麦克斯韦妖物理学假想的能探测并控制单分子运动的机制麦克斯韦妖（Maxwell's demon）是19世纪物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦提出的一个著名的物理学思想实验。
该实验设想了一个理想的情境：一个看似违背热力学第二定律的“妖”，能够识别并分离系统中分子的能量状态，以实现对系统中分子运动的控制。
如果这个妖存在并能够有效工作，那么传统的热力学定律将会受到挑战。
本文将探讨麦克斯韦妖假象的物理学背景以及可能的能探测并控制单分子运动的机制。
1. 麦克斯韦妖的背景在麦克斯韦妖提出之前，熵增原理和热力学第二定律是自然科学中不可动摇的基本原理。
根据熵增原理，孤立系统的熵总是增加的，而热力学第二定律指出了自发过程的不可逆性，即热量能量流只能从高温环境向低温环境进行传递。
然而，麦克斯韦妖的思想实验挑战了这些基本原理。
2. 麦克斯韦妖实验模型麦克斯韦妖的实验模型包括一个分子系统，系统中有两个容器，一个是高温容器，一个是低温容器，两个容器之间有一个小孔。
在正常情况下，热力学第二定律预言，高温容器中的分子将通过小孔向低温容器扩散，系统最终达到热平衡。
然而，麦克斯韦妖假设在小孔处设置了一个能够识别分子状态的“妖”，具备干预分子的能力。
如果需要，该“妖”可以选择性地开闭小孔，只让速度较快的分子通过，或者只让速度较慢的分子通过，从而实现对系统中分子运动的控制。
3. 麦克斯韦妖假设带来的矛盾麦克斯韦妖假设所引发的矛盾在于：如果我们可以通过干预分子运动来控制能量传递，那么热力学第二定律中的不可逆性将会受到挑战。
根据热力学第二定律，系统中分子的运动通常被认为是无序的，而麦克斯韦妖的实验假设中，通过干预分子的运动，能够实现对能量的选择性控制，从而使能量在系统中更趋向有序的状态，即减少系统的熵。
这违背了热力学第二定律中关于熵增的规律。
4. 量子力学的介入虽然经典物理无法解释麦克斯韦妖假设，但量子力学的引入使我们对麦克斯韦妖的理解得到了拓展。
科学殿堂里的七大神兽
科学殿堂里的七大神兽打开文本图片集学习知识要善于思考，思考，再思考。
我就是靠这个方法成为科学家的。
——爱因斯坦科学圣殿里有七大神兽：芝诺的乌龟、拉普拉斯兽、巴甫洛夫的狗、麦克斯韦妖、莎士比亚的猴子、薛定谔的猫和洛伦兹的蝴蝶。
分别对应着微积分、经典力学、生物学、热力学第二定律、概率论、量子力学和混沌学。
这七大神兽独霸一方，各擅胜场：芝诺的乌龟时空双修能缩地成寸，拉普拉斯兽明察大道推演万物，巴甫洛夫的狗能瞬时响应抗拒理性，麦克斯韦妖操控万物逆转阴阳，莎士比亚的猴子在时空光锥创造无限可能，薛定谔的猫能制造宇宙超越轮回，洛伦兹的蝴蝶能以四两之力扰乱乾坤。
这七大神兽亦正亦邪，相互之间各有恩怨，例如洛伦兹的蝴蝶和拉普拉斯兽就是天生的死对头。
这些神兽有时给科学圣殿带来难以理解的困扰，有时也给那些天才的科学家指明方向和道路。
1芝诺的乌龟出生日期：公元前464年主人：芝诺门派：先贤哲学能力：缩地成寸公元前464年，物理帝国的世纪运动竞技赛开幕，芝诺之龟与海神之子阿喀琉斯赛跑。
阿喀琉斯体格健壮，肌肉饱满，四肢遒劲有力。
芝诺之龟短小精悍，豆眼如炬，龟甲结实笨重。
芝诺之龟以身体劣势为由，申请提前奔跑100米。
阿喀琉斯深知自己的速度乃是芝诺之龟的10倍，便毫不犹豫地答应了。
比赛开始，当阿喀琉斯追到100米时，乌龟已经向前爬了10米;阿喀琉斯继续追，而当他追完乌龟爬的10米时，乌龟又已经向前爬了1米;阿喀琉斯只能再追向前面的1米，可乌龟又已经向前爬了1/10米。
就这样，芝诺之龟总能与阿喀琉斯保持一个距离，不管这个距离有多小，但只要乌龟不停地奋力向前爬，阿喀琉斯就永远也追不上乌龟。
尽管阿喀琉斯是神话中的英雄，但最终还是败在芝诺之龟的四条小短腿之下，芝诺之龟从此声名鹊起，无人匹敌。
不仅在古希腊，在智者云集的古老东方，同样也对这只乌龟无可奈何。
《庄子·杂篇·天下》中提到，“一尺之捶，日取其半，万世不竭”，其实也是这只乌龟施展的“魔法”。
麦克斯韦妖通俗理解
麦克斯韦妖通俗理解
（实用版）
目录
1.麦克斯韦妖的概念与来源
2.麦克斯韦妖的特点
3.麦克斯韦妖与热力学第二定律的关系
4.麦克斯韦妖的通俗理解
正文
1.麦克斯韦妖的概念与来源
麦克斯韦妖是由 19 世纪英国物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦提出的一个思想实验，用以描述一个可以实现热力学第二定律违反的过程的虚拟生物。
这个虚拟生物被称为麦克斯韦妖，它可以在无需外界能量输入的情况下，使一个热机达到 100% 的热效率。
2.麦克斯韦妖的特点
麦克斯韦妖具有以下特点：
（1）可以感知到系统中的温度差，从而实现热量从低温热源向高温热源的自发传递；
（2）可以在不消耗能量的情况下，对系统进行操作；
（3）可以根据外界条件进行自我调整，以保持最佳的工作状态。
3.麦克斯韦妖与热力学第二定律的关系
热力学第二定律指出，在任何热力学过程中，系统的熵（或称无序度）总是增加的。
换句话说，热量不可能自发地从低温物体传到高温物体。
然而，麦克斯韦妖在理论上可以实现这个过程，使得热机的效率达到 100%。
这看似与热力学第二定律相矛盾，实际上却揭示了热力学第二定律的局限
性。
4.麦克斯韦妖的通俗理解
通俗地理解，麦克斯韦妖是一个理想化的虚拟生物，它可以在不消耗能量的情况下，实现热量从低温物体向高温物体的传递。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
妖怪，哪里走！
--麦克斯韦妖的今时往日
爱因斯坦曾说过：“对于一个理论而言，它的前提越简单，所关联的不同事物越多，应用的领域越广泛，它给人留下的印象就越深刻。
”无疑，热力学第二定律，就是其中的典范。
而历史上对于热力学第二定律的诘难有过很多，其中最著名的莫过于麦克斯韦妖。
妖踪初现
麦克斯韦设想有一个能观察所有分子轨迹和速度的小精灵把守着气体容器内隔板上一小孔的闸门，见到这边来了高速运动的分子就打开闸门让它到那边去，见到那边来了低速运动的分子就打开闸门让它到这边来。
设想闸门是完全没有摩擦的，于是这小精灵无需做功就可以使隔板两侧的的气体这边愈来愈冷，那边愈来愈热。
这样一来，系统的熵降低了，热力学第二定律受到了挑战。
人们把这个小精灵称为麦克斯韦妖。
降妖
我们对麦克斯韦妖的一种可能的存在进制进行分析：在麦克斯韦妖的操作过程中，首先他要能捕捉运动分子的信息—位置和速度。
我们假定，它是通过光学信息来获知这些信息的（通过其他方式获取信息道理类似）。
那么是首先他要能看得见这些分子。
如果没有外部光源，仅仅依赖腔体内的黑体辐射是不可能实现这一过程的，因为按照基尔霍夫的辐射定律，腔体内的辐射是均匀而不具有方向性。
所以，要看到分子，必须另用灯光照到分子上，光将被散射（假设所有分子都没有吸收光能），而被散射的光子将被麦克斯韦妖的眼睛所吸收。
如果我们把容器和小精灵合在一起看作我们所研究的系统，由于外界光能的输入，该系统并不是孤立系统。
而如果我们把光源，容器和小精灵三者合在一起看作我们要研究的系统的话，这一过程涉及到热量从高温热源转移到低温热源的不可逆过程（发光及光的吸收过程），导致系统中熵的增加。
当麦克斯韦妖接受有关分子运动的信息后，再通过操作闸门来使快、慢分子分离，来减少系统的熵。
就数量而言，减少的熵不能超过前者。
所以，麦克斯韦妖并没有真正对热力学第二定律构成挑战。
妖踪再现
2004年，爱丁堡大学的D. A. Leigh教授和他的同事们在《Nature》上撰文称，他们利用一种纳米级别的有机功能大分子—轮烷实现了类似麦克斯韦妖的功能，最终使得这种分子的状态分布逐渐远离热力学平衡态，但是这个过程它必须吸收光子，因此，这个过程同样不违反热力学第二定律。
2010年日本的研究人员在《Nature· Physics》网络版上报告称,他们实现了一种信息-能量的转化机制。
他们在实验室让小球沿电场制造的微小旋转阶梯向上爬动，并将小球拍照。
自然情况下，小球可以随机朝任何方向运动，既可以朝上，也可以朝下。
由于向上爬会增加势能，因此其往下一层的概率更大。
如果不人为干扰，小球最终会掉至最底层。
在实验中，当小球沿阶梯向上爬一层后，研究人员就使用电场在小球爬上的那层阶梯上加一面“墙”，让小球无法回到低的那一层。
这堵墙的作用就好比体温计的缩口，使得小球只能朝上，不能朝下。
由于小球也有向上爬的概率，经过足够长的时间小球就会到达最高处，从而因为获得势能而能量增加。
该小球能爬阶梯完全由“自己的位置”这一信息所决定，研究人员无需施加任何外力（比如注入新能量等），仅需一个感应系统（比如摄像机）。
而在本次实验中，作为“墙”的电场充当着类似麦克斯韦妖的角色。
笔者认为，岛国的同行宣称实现了一种信息-能量的转化机制有些言过其实，因为该实验没有打破能量守恒定律，信息也不能不借助其他能量来源凭空转化为能量。
文中也承认了，损耗的能量是摄像机的能量通过信息这一媒介转换而来的这一事实。
但是，这又是一次麦克斯韦妖的再现。
近来，学术界更有人致力于将类似于麦克斯韦妖的装置应用于单光子冷却技术上，从而获得更低的温度。
信息熵与麦克斯韦妖
首先我们回顾一下信息熵的起源。
开尔文在分析这个问题是强调了妖的三个特点：生气勃勃，尺寸微小，具备智能。
其后，匈牙利物理学家西拉德（L. Szilard）进一步分析了妖精的智能：妖精具有获得信息，存取信
息和应用信息的功能。
随后香农(C. Shannon)创立了信息论，引入信息熵（又称为香农熵）的概念。
可以说，信息熵的建立正是基于人们对于麦克斯韦妖的深入探讨。
然而，信息熵具有不依赖于热力学熵的独立定义。
正如物理学历史上对于克劳修斯熵和玻耳兹曼熵的两种定义是否等价的探索一样（注：克劳修斯熵是热力学熵，玻耳兹曼熵是从统计角度定义的熵，后来证明两者等价，现在统称为热力学熵），人们也在探索热力学熵和信息熵的关系。
虽然对于某些问题还有争议，但是主流观点认为，信息熵是热力学熵的一种拓展，热力学熵是一种特殊的信息熵。
对于麦克斯韦妖的主流的讨论都是借助于信息熵的概念。
大致可以概括成这样的意思，信息熵是负熵，对于一个系统而言，信息的流入，将会导致有序性增加，而作为信息输出系统则需要承担更多的熵增。
因此麦克斯韦妖的并不会对热力学第二定律造成威胁。
笔者以为虽然信息熵的提出有着不亚于热力学熵的重要意义，但是这个问题借助信息熵来讨论有些地方仍有待商榷。
首先，热力学第二定律中所描述的熵增一定是热力学熵，如果通过信息熵解释的话我们所解释的仅仅是信息熵，这种广义熵的变化。
如果不讨论信息熵和热力学熵的定量关系，我们无从获知热力学熵的变化。
或者，我们利用信息熵的概念重新给出热力学第二定律的表述形式。
如果，这些问题都没有弄清楚，就利用信息熵解释问题确有生搬硬套之嫌。
其次，麦克斯韦妖的问题，仍然是一个热力学范畴内的问题，热力学及统计物理的建立是很严密的，我们完全可以利用热力学范畴之内概念，利用热力学熵的概念，将问题解释清楚，所以，我们没必要舍近求远，最初我们的分析的中也并没有引入信息熵的概念。
结语
麦克斯韦最初设想麦克斯韦妖最初不是为了挑战热力学第二定律，仅是为了说明热力学第二定律仅仅能用于“大块物体”，但之后的历史表明，100多年来这个问题不断地发挥着巨大的作用。
控制论的创始人维纳（N. Wiener）说的好：“简单的否认麦克斯韦妖，那我们就要失去一个难得机会来学习熵的在物理学上，化学上，生物学上可能的系统的知识。
”正是因为对麦克斯韦妖所涉及的问题的深入思考，促进了信息论、控制论等学科的发展。
附录：
信息熵简介
首先明确信息论中消息和信息的区别。
消息是具体的，信息是抽象的，消息是信息的载荷者。
比如，用文字写成的文本是消息，而文本所传达的内容含义是信息。
进一步讲，信息论中讨论的信息究竟是什么呢？通信之所以成为需要是因为接受者在未收到消息之前，不知道消息的内容。
消息的接受消除了原先的不能肯定的情况。
例如甲发给乙一条短信，内容是“平安到达北京”。
乙在未收到短信之前是不知道甲是否“平安到达北京”。
对于乙来讲就是消除了原先不能确定的情况。
这种原先不能确定的情况，称为先验不肯定性。
我们认为，所消除的先验不肯定性越大，所获取的信息量越大。
另一点需要指出的是：我们只研究蕴含于消息中的信息的客观量，如果某乙在收到短信之前，已经从其他渠道获取甲已经平安到达北京的内容，即使乙没有从短信中获得新的东西，我们认为，信息量的大小并不会因此“贬值”。
信源就是信息的源泉，如果信源发出的都是单个离散符号，这种信源称为单符号离散信源。
我们今天所讨论的都是单符号离散信源。
我们设某一单符号离散信源可能发出的各种不同符号组成的离散符号集
A ： a 1,a 2,a 3,…a n , ,发出某一信号的概率为p a i =p i i =1,2,…,n ,从概率论的观点看 p i =1n i =1.
如果某个信号只包括一个符号，对于等概率的信源，在接受信号之前，信号有n 种可能，接收信号后，这种不肯定性也就消除了。
容易理解的是，n 越大，之前的不肯定性越大，获取信号后所消除的的不肯定性就性越大，获得信息就越多。
举一个形象简单的例子：考试的时候，有四选一和三选一两种单选题。
每个选项的概率是一样的。
当有人告诉你了每种题各一道题的答案。
显然，在这两条消息中，四选一的答案所包含的信息量更大。
所以为了定量描述等概率信源的每个信号的信息量，我们定义自信息量的概念:
I =ln n =−ln p .
类似的：对于非等概率的信源，对于接受某个符号的所获得的自信息量为：
I i =−ln p i .
如果p i =1, 则p i 为必然事件，不存在任何的不肯定度，接受者所获取的自信息量为零。
如果某个信号由足够多个符号组成，那么对于整个符号列中每个符号的平均信息量，我们成为信源熵（或信息熵）：
H = p i n i =1I i =− p i ln p i n
i =1
H 信息熵可以作为信源的所发信息的平均测度。
从定义式，我们可以看出，虽然信息熵经常被称为负熵，但是其取值恒为正，这是因为p i 恒小于1。
不过，由于信息的接受就是不肯定性的消除，即熵的消除（此处的熵取“热力学熵”中“熵”的含义），所以信息熵才常被人称作负熵。
笔者认为，负熵这种叫法不是很科学。