麥克斯韋放出的麥克斯韋妖，糾纏物理學家150年，它到底是什麼？

綜述

在熱力學研究領域當中，有四條基本定律，其中第二條指出了熱力學所具有的不可逆性，也就是說在自然狀態下，熱量總是自發地從高溫熱源流向低溫熱源。

對此我們從自己的生活經驗中也能找到例證，比如將一冰一熱兩杯水貼著靠在一起，在儘量減小室溫影響的條件下，結果一定是冰水的溫度升高，而不會是熱水的溫度升高。

麥克斯韋妖

熱力學第二定律被認為是絕對正確的，因為如果不是，那麼所謂的第二類永動機就是可以實現的了。按照第二類永動機的設想，人類可以設計出這樣一種裝置，使其可以從環境中吸取熱量，然後再將這些熱量轉化為功，從而提供源源不斷的動能。

也就是說，他們想要實現從單一的熱源上持續吸收熱量，而且這些熱量可以全部得到利用，不產生損耗或者流失。但是這顯然與熱力學第二定律是相悖的，要想把第二類永動機變成現實，首先就要推倒這個定律，有沒有人做到過呢？

目前來說還沒有，但是一些腦洞大開的科學家一直在不斷地提出猜想，試圖找到新的突破口，其中有一個理論還產生過不小的影響，這就是麥克斯韋妖理論。

麥克斯韋妖，這個名字乍一看有些奇怪，這個妖指的是什麼呢？大約150年前，1871年的時候，英國物理學家詹姆斯麥克斯韋在嘗試推翻熱力學第二定律時，構想出了一個熱力學模型。

簡單來說，這個模型的結構是一個絕熱的容器，正中間同樣由絕熱的材料分開，兩個格子的體積和熱力環境相同，而所謂妖其實是一個假想的存在，它的角色類似人類社會中的某一類管理者，它的職責是守衛在兩個格子之間的一道小門旁邊，當兩邊的熱力分子開始運動時，它可以決定哪些分子可以透過，哪些不能。

按照麥克斯韋的假設，當分子不斷撞擊小門的時候，這個小妖可以將實現將熱分子和冷分子完全分隔在兩邊的格子裡，如此一來，就會形成最大溫差，並利用它來進行做功的過程。

面對他的構想，許多物理學家都提出了質疑，比如最關鍵的那個妖怪的角色，它的所謂“開門”的活動也需要做功，而這必然會消耗掉裝置裡的熱能。

如此一來，下一次的熱量流動所能產生的功一定會少於上一次，在有限的流動次數之後，熱量最終會被耗盡，因此他們認為麥克斯韋的設想不能成立，這個反駁得到了很多人的支援，但麥克斯韋不這樣認為，他之所以將這個管理者的角色稱為妖，其實就是為了將它的存在變得虛無縹緲。

按照他的說法，這個妖是無限趨近於不存在的，所謂的門也無限趨近於零質量，因此它做的功可以被看作趨近於零，這個解釋在理論上是行得通的，但是麥克斯韋仍然要在實際操作層面將這個妖的角色落實，因為無限趨近於零的另一個意思其實就是不等於零，但另一方面，質疑麥克斯韋妖的科學家也無法在理論上反駁這個設定。

資訊熵

1948年，數學家夏農提出了資訊理論，這才徹底將麥克斯韋妖的真面目揭露出來。根據夏農的理論，資訊是可以被量化、儲存並用來進行通訊的，它也成為現代應用數學、電子學和計算機科學的一個重要的實踐基礎。

夏農也進一步提出了資訊熵的概念，所謂熵是用來度量資訊的量度，在資料領域，它指的是一條資訊中各類符號的平均位元數。那麼資訊理論是如何反駁麥克斯韋妖的理論的呢？

物理學家RolfLandauer在資訊熵的基礎上提出了自己的推論，他認為物理學模型中所假定的一切抽象的資訊都意味著對應的物理載體，不管這種載體是宏觀層面還是微觀層面。

所以麥克斯韋所設想的那個小妖怪要想做到無限趨近於不存在，就相當於是需要將某部分資訊從整個模型當中擦除，而這種擦除必然會消耗環境中的能量，並且這個過程是不可逆的，如果可逆，那就意味著可以做到熵減，這顯然是無法實現的。

資訊理論和對它的展開其實已經基本上推翻了麥克斯韋妖的設想，但是還是有許多夢想家仍然在鍥而不捨地嘗試，想要找到一個能夠不做功的妖，比如光學意義上的麥克斯韋妖，量子意義上的麥克斯韋妖，以及所謂的賭徒意義上的麥克斯韋妖等等，但這些變體都沒有解決最根本的悖論，那就是如何讓這個妖不做功。

結語

科學家們對於第二類永動機的熱情不減，各種理論花樣層出不窮，雖然沒有什麼進展，但是還是值得鼓勵的，因為在這些試錯的過程中，其實也會不斷有一些新的東西被發現，科學研究的長度也許沒有什麼改變，但是在寬度上卻有不少延展，這也不失為科學進步的一種方式。