对麦克斯韦妖的看法
150年前的物理学妖精 首次出现在了实验室里
150年前的物理学妖精首次出现在了实验室里150年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，如果一个电子（蓝色）进入盒子，妖精就会立即施加一个正电荷把它束缚在里面（左），而如果电子离开盒子，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设想的通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。
麦克斯韦妖已经在物理学家心目中盘旋了近150年。
这个妖精最初由物理学家麦克斯韦（James Clerk Maxwell）提出，可以根据粒子的速度对它们进行分类，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。
乍一看这好像违反了热力学第二定律，但注意到如果想让妖精正确执行指令，就得通过外界对它做功，因此妖精与盒子的体系不是一个封闭体系，这就解决了悖论。
然而，这个解释不能完全令人满意，因为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、能自我运行的麦克斯韦妖的等价体，从而消除了对这个“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），在此之前它一直只存在于科学家的设想中，而这一实验也提供了一个新方法来会溢出，因此，为了使它持续工作，就需要定期清空它的内存，而这是需要对它做功的，且这部分功完全等同于让妖精筛选冷热粒子所需要的功。
这一想法不仅再次证实了热力学第二定律的正确性，也表明“信息是物理的”。
但这仍然没有完全消除该思想实验中涉及到的“形而上学的存在”，也没有告诉我们究竟怎样能真正制造出一个麦克斯韦妖来，你或许会问：让谁，或者什么来清除妖精的记忆呢？需要再设想一个“麦克斯韦妖之妖”来作用于麦克斯韦妖吗？最近，研究者重新思考了这一系列概念上的问题，将研究重点从设计需要外力操纵的麦克斯韦妖转向了独立行动的麦克斯韦妖。
麦克斯韦妖的解释
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。
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。
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。
麦克斯韦妖的困惑
麦 克 斯 韦 妖 的 困 惑 茵王 盼 峰
麦克斯韦妖的由来
小 的 阈 值 遥此 后 袁科 学 家 鲁 兹 通 过
1871年 英 国 物 理 学 家 麦 克 斯 野光 陷 阱 冶的 实 验 证 明 袁删 除 信 息
韦 提 出 了 一 种 违 反 热 力 学 第 二 定 也 需 要 释 放 出 热 量 袁由 此 增 加 的
子 内 部 形 成 了 温 差 遥也 就 是 说 袁在 的 玻 璃 杯 不 会 自 动 重 新 组 合 成 原 发 射 出 来 袁 表 现 为 黑 洞 发 出 辐
没 有 任 何 能 量 注 入 的 情 况 下 袁盒 来 的 样 子 遥我 们 人 行 走 的 每 一 步 袁 射 袁 这 就 是 黑 洞 蒸 发 的 基 本 原
开小门让运动速度快的粒子到一
生活中的热力学第二定律
边 袁运 动 慢 的 粒 子 到 另 一 边 袁这 样
在 生 活 中 袁热 力 学 第 二 定 律
麦克斯韦
最 终 结 果 就 是 原 本 温 度 均 匀 的 盒 的 一 个 最 简 单 的 例 子 袁 就 是 摔 碎 反 粒 子 落 入 黑 洞 时 袁实 粒 子 会 被
信 息 也 是 能 量 的 一 种 表 现 形 式 袁能 量 会 守 恒 呢 钥
鞍 形 和 平 面 袁对 应 于 三 种 演 化 状
信息熵和热力学熵是对等的遥
黑 洞 由 奇 点 和 视 界 组 成 袁野视 态 院膨 胀 到 一 定 程 度 后 收 缩 袁膨 胀
1961年 袁物 理 学 家 罗 夫 窑兰 道 界 冶 代 表 光 所 不 能 逃 逸 的 黑 洞 边 越 来 越 慢 但 不 会 停 止 袁始 终 加 速 膨
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。
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。
麦克斯韦的妖
3、没有参与该研究的比利时哈塞尔特大学的克里 斯蒂安· 凡登布鲁克指出，新实验直接证明了信息 可以转化为能量，尽管如此，新技术仍无法解决人 类面临的能源危机。他表示在将信息转化为能量时， 真正的能源成本掩藏于外部(包括实验的操作者)， 因此该实验就如同人们试图使用原子核聚变来产生 能量，其实核反应本身耗费的能源可能更多。 4、 研究人员自己也表示，实验中的摄像机很笨重， 当务之急是找到可自动检测环境的显微技术，并将 采集到的信息转化为能量。
应当又似乎难以辩驳直到二十世纪50年代利用信息熵概念人们才弄清楚小妖并不能推翻热力学第二定律原因在于小妖要想识别分子运动的快慢完成分子动能的有效转移就需要消耗能量获得分子的运动信息而且从信息论的角度来看小妖为此花费的能量将多于它完成这种转移后系统增加的能量整个系统的熵还是增加的
研究人员通过观察硅球在一个状态转换和重置比特位 的周期里的位置和移动速度，计算出散发能量具体的 数值。兰德尔的阈值只适用与比特重置进行无限慢的 情况，而鲁兹和同事发现，当他们用更长的转换周期 时，能量散发量会越小，并逐渐趋于稳定，平衡等同 于兰德尔所预计的量值。 兰德尔的实验，为麦克斯韦妖不能实现首次给出了个 令人信服的理由。“魔鬼”需要擦除（或者可以说 “遗忘”）过去每次操作先要选择哪个分子的信息， 这样的信息擦除会释放出热量，并增加了熵，熵的增 量比恶魔为了平衡熵而失去的量还多。
应当说，在日常生活中没有人见过这现象，但是麦克 斯韦小妖又似乎难以辩驳，直到二十世纪50年代利 用信息熵概念，人们才弄清楚小妖并不能推翻热力 学第二定律，原因在于小妖要想识别分子运动的快慢， 完成分子动能的有效转移，就需要消耗能量获得分子 的运动信息，而且从信息论的角度来看，小妖为此花 费的能量将多于它完成这种转移后系统增加的能量， 整个系统的熵还是增加的。其实，麦克斯韦妖只是开 放系统的一个组成部分，靠外界输入能量或信息执行 某种任务，并不违背热力学第二定律。热力学第二定 律仍未打破。
基于进化与麦克斯韦妖
机遇进化与麦克斯韦妖为了把宇宙热寂说同自然界、生物界等的进化发展现象统一起来，物理学家玻尔兹曼提出了生命的出现是宇宙热寂总趋势中的一个“巨涨落”的观点。
他提出的巨涨落好比是江河日下的浪潮中，一个向上飞起的小小浪花。
地球生命的出现和进化、人类社会的发展，就是日趋没落的宇宙中这样一个向上飞起的小小浪花。
根据统计物理学的法则，涨落规模越大，其出现概率就越小。
这样，玻尔兹曼的观点，就导致一种机遇的进化论，即偶然的进化论————这是一种概率极其微小，万劫难逢的偶然性，它无法说明自然界进化发展的必然性。
为了寻找自然界客观存在着的进化发展过程的推动力量，即抵消熵增、热寂，造成物质系统从无序向有序转化的因素，在热寂说提出不久之后，除了有过上述玻尔兹曼的“巨涨落”进化假说之外，还有著名的“麦克斯韦妖”假设————这是一种探求自然界进化的必然的推动因素的假设。
英国物理学家麦克斯韦设想：在自然界有一种微小的“精灵”，它能够识别、挑选状态、结构性质不同的粒子，并对它们的运动状态给予特定的限制，使无序的物质系统变为有序。
例如它能识别运动速度不同的分子，并能以其在两半容器的连通处选择性的打开或关闭通道的行为，使快分子与慢分子最终分别处于两半容器的一半之中。
这种假设的“精灵”，就被人们称为“麦克斯韦妖”。
借助于麦克斯韦妖，自然界便可以从无序之中创造出有序，就可以抵消热力学第二定律所规定的熵增趋势，从而避免宇宙热寂的结果，造成自然界的进化发展。
从自然界应当拥有自己的进化、发展能力，即从无序向有序转化的能力着眼，麦克斯韦妖似乎有着存在的根据。
然而，它究竟是不是一种微小的物体，是不是一种生物、一种“精灵”，却难以从实证科学中找到答案。
事实上迄今为止自然科学都没有提供作为微小精灵的麦克斯韦妖存在的任何证据。
不仅如此，1956年第一次提出信息与热力学负熵等价（即信息论的熵与热力学的熵等价）的旅美物理学家布里渊，在经过理论分析后指出，即使存在麦克斯韦妖，为了使它工作，首先必须供给它有序的能量：为了使它识别分子，首先要照亮分子，因而就要输入能量，引起熵的增加————相当于损失了有序性。
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。
对麦克斯韦妖的看法
对“麦克斯韦妖”的看法詹姆斯·克拉克·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”。
1871年，他在《热理论》一书的末章《热力学第二定律的限制》中，设计了一个假想的存在物——“麦克斯韦妖”。
麦克斯韦妖有极高的智能，可以追踪每个分子的行踪，并能辨别出它们各自的速度。
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。
在我看来，麦克斯韦妖是麦克斯韦对违反热力学第二定律的可能性的一个解释，这样奇幻的阐述，极具浪漫主义的色彩，作为一个伟大的物理学家，麦克斯韦用理性和感性共同为后人留下了一个不可思议的课题，就像精通诗歌的伟大数学家柯西一样，麦克斯韦拥有一个科学家难得的情怀。
从过去到现在关于麦克斯韦妖的实验与争论从未停止。
麦克斯韦提出了“麦克斯韦妖”设想：一个绝热容器被分成相等的两格，中间是由一种机制控制的一扇活板门，容器中的空气分子做无规则热运动时会撞击门，门则可以选择性地将速度较快的分子(温度较高)放入其中一格，将速度较慢的分子(温度较低)放入另一格，这样，两格的温度就会一高一低。
麦克斯韦认为，整个过程中使用的能量就是“分子是热的还是冷的”这一信息。
“麦克斯韦妖”似乎违背了热力学第二定律，换句话说，这一过程不能毫无能量损耗地分离热分子和冷分子。
后来匈牙利物理学家冯·劳厄指出，该过程没有违背物理学法则，因为“麦克斯韦妖”实际上必须消耗能量来确定哪个分子是热的、哪个分子是冷的。
而在本次实验中，损耗的能量是摄像机的能量通过信息这一媒介转换而来。
他们认为这完全是一种新机制，并称之为“信息—热机制”，这意味着，即使不直接同纳米机器接触，也能够使用信息作为媒介来转化能量。
IBM物理学家罗夫·兰道尔证明，重置1比特的信息都会释放出热量，也就是说，将计算机中的一个二进制比特位置零，不管初始值为1或0，都会释放出极少的热量，该能量大小即为兰道尔的阈值，与环境温度成比例。
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。
麦克斯韦妖热力学第一定律
麦克斯韦妖热力学第一定律
麦克斯韦妖是指一个假想的系统，它能够违背热力学第二定律，即从一个热力学系统中无需外界输入能量就可以实现热量从低温物体传递到高温物体，从而产生有用的功。
然而，根据热力学第二定律，自然界中的过程必须满足熵增原理，热量只能从高温物体传递到低温物体，而不会自发地从低温物体传递到高温物体。
麦克斯韦妖热力学第一定律是指在考虑了麦克斯韦妖存在的情况下，对热力学第一定律的修正。
热力学第一定律是能量守恒定律，它表明能量在系统中的总量是不变的。
然而，当引入了麦克斯韦妖这一假设时，能量的转换和守恒规律可能需要重新考虑。
麦克斯韦妖热力学第一定律的一个可能的修正是引入信息的概念。
根据这个修正，麦克斯韦妖能够实现热量从低温到高温的传递是因为它可以获取关于系统的信息，并且使用这些信息来实现热量的选择性传递。
在这种情况下，能量守恒仍然成立，但是信息的产生和处理也成为能量转换的一部分。
需要注意的是，麦克斯韦妖仅存在于理论和假设的层面，并没有被实际观测到或证明其存在。
麦克斯韦妖的提出主要是为了探讨热力学第二定律的基本原理和极限，以及与信息和计算的关系。
一个改变三观的定律
一个改变三观的定律今天的内容将重点跟大家介绍「熵增定律」。
在原理之前，先看《道德经》具体篇章：这一章虽有生词，意思却不难理解，与「月盈则亏，日中则昃」有异曲同工之妙：有些事物看着弱小，实际在走上坡路；而有些事物看着如日中天，其实是在走下坡路。
《道德经》里老子不止一次提及婴儿：「知其雄，守其雌，为天下溪。
为天下溪，常德不离，复归于婴儿。
」相对于大而全如日中天。
简单、精致、小而美的状态其实就是婴儿的状态。
在这点上，老子看问题的视角相当于20世纪科学的核心观察角度。
一、熵增定律的原理及重要意义20世纪之前，科学视角主要围绕静态物体关系展开，比如：牛顿力学、热力学第一定律（能量守恒）。
但20世纪以来，以普朗克、薛定谔、费曼为代表的科学家在各自领域发现了一些新规律，视角不再是静态，而是强弱关系。
这期间，最具代表性的定律当属，热力学第二定律：熵增。
这个定理直接改变了人们的世界观。
熵增定理认为：能量并非是守恒的，在做功过程中，会有耗散一部分能量。
在此之前也即牛顿时代：「世界是按照某种规则运转，只要发现规律，就能改造世界」是大多数人的共识。
但熵增定律的却揭示了另一种结果：宇宙运转的整体趋势是不断从有序走向无序的过程。
但在走向无序的过程中，会有事物自发对抗无序。
在这种意义上，生命本质是一种秩序：从分子到细胞到器官再到身体。
正是因为有序的生命与无序的宇宙这种矛盾状态，所有人都难逃一死，身体不可能长生不老。
可以说死亡是生命体对抗熵增的代价。
打开看点快报，查看高清大图二、对抗熵增本身是生命最大的意义能量在转化过程会有耗散，这便是释放熵增。
为了对抗消散掉的「熵增」，需要持续做功，转化更多能量来弥补熵增的损失。
所谓做功，包含两件事：①创造秩序；②摄入能量。
生命体醒着的多数时间都在努力创造秩序：让居住环境更宜人、舒适，符合进化规则。
这些都是在做功。
人类每天的工作，本质也是在对抗熵增。
因为工作其实是把资源、物质和信息转化成有人想要的商品和服务。
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对“麦克斯韦妖”的看法
詹姆斯·克拉克·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”。
1871年，他在《热理论》一书的末章《热力学第二定律的限制》中，设计了一个假想的存在物——“麦克斯韦妖”。
麦克斯韦妖有极高的智能，可以追踪每个分子的行踪，并能辨别出它们各自的速度。
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。
在我看来，麦克斯韦妖是麦克斯韦对违反热力学第二定律的可能性的一个解释，这样奇幻的阐述，极具浪漫主义的色彩，作为一个伟大的物理学家，麦克斯韦用理性和感性共同为后人留下了一个不可思议的课题，就像精通诗歌的伟大数学家柯西一样，麦克斯韦拥有一个科学家难得的情怀。
从过去到现在关于麦克斯韦妖的实验与争论从未停止。
麦克斯韦提出了“麦克斯韦妖”设想：一个绝热容器被分成相等的两格，中间是由一种机制控制的一扇活板门，容器中的空气分子做无规则热运动时会撞击门，门则可以选择性地将速度较快的分子(温度较高)放入其中一格，将速度较慢的分子(温度较低)放入另一格，这样，两格的温度就会一高一低。
麦克斯韦认为，整个过程中使用的能量就是“分子是热的还是冷的”这一信息。
“麦克斯韦妖”似乎违背了热力学第二定律，换句话说，这一过程不能毫无能量损耗地分离热分子和冷分子。
后来匈牙利物理学家冯·劳
厄指出，该过程没有违背物理学法则，因为“麦克斯韦妖”实际上必须消耗能量来确定哪个分子是热的、哪个分子是冷的。
而在本次实验中，损耗的能量是摄像机的能量通过信息这一媒介转换而来。
他们认为这完全是一种新机制，并称之为“信息—热机制”，这意味着，即使不直接同纳米机器接触，也能够使用信息作为媒介来转化能量。
IBM物理学家罗夫·兰道尔证明，重置1比特的信息都会释放出热量，也就是说，将计算机中的一个二进制比特位置零，不管初始值为1或0，都会释放出极少的热量，该能量大小即为兰道尔的阈值，与环境温度成比例。
麦克斯韦妖需要擦除（或者可以说“遗忘”）过去每次操作先要选择哪个分子的信息，这样的信息擦除会释放出热量，并增加了熵，熵的增量比恶魔为了平衡熵而失去的量还多。
兰德尔的实验，蕴含着一个更贴近现实的结论，就是消除1比特散发出热量的限度到底有多么少，累积起来，一台电脑进行比特运算能散发多少热量。
鲁兹说，计算机芯片的散热问题是阻碍计算机微型化的一大主要问题。
这样的能量损耗正变得越来越少，并在几十年后接近兰德尔所给的阈值。
实验清楚明白的告诉我们，能量损耗再低也不能比兰德尔的阈值还低。
由此说明“麦克斯韦妖”不存在。
但是，日本研究人员在出版的《自然·物理学》网络版上报告称，他们在实验室中让一个纳米小球沿电场制造的“阶梯”向上爬动，爬动所需的能量由该粒子在任何给定时间朝哪个方向运动这一信息转化而来，这意味着科学家首次在实验室实现了信息到能量的转化，验证了约
150年前英国物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦提出的“麦克斯韦妖”这一设想。
日本中央大学理工学部的鸟谷部祥一和东京大学的佐野雅树领导的团队在实验室让一个直径为287纳米的聚苯乙烯小球沿电场制造的微小旋转阶梯向上爬动，并将小球拍照。
小球可以随机朝任何方向运动，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加一面“墙”，让小球无法回到低的那一层，这样小球就能一直向上爬。
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)。
另外，他们也能精确地测量出有多少能量由信息转化而来。
从上面两个实验中似乎都无可争辩的说明了麦克斯韦妖存在或者是不存在，这就像当年光是机械波还是粒子的争辩一样。
不同的是光既可以是波又可以是粒子，二麦克斯韦妖不可能既存在又不存在。
如果说麦克斯韦妖是在特定条件下才存在的话，这又违反了物理现象的普遍性。
麦克斯韦妖的存在与否是耐人寻味的，
麦克斯韦提出了一个“麦克斯韦妖”，后人为此不断努力探寻其真相。
就像“哥德巴赫猜想”和“黎曼猜想”等历史上遗留的问题，它们都是科学历史王冠上的明珠。
能解决这样的问题固然是一种荣耀，但是
更重要的是提出这样的问题和想法。
在我看来，如同麦克斯韦在研究《热寂论》时提出的“麦克斯韦妖”一样，大学生应该培养的正是这样一种学会发现问题的能力。
2013年10月12日。