麦克斯韦放出的麦克斯韦妖，纠缠物理学家150年，它到底是什么？

综述

在热力学研究领域当中，有四条基本定律，其中第二条指出了热力学所具有的不可逆性，也就是说在自然状态下，热量总是自发地从高温热源流向低温热源。

对此我们从自己的生活经验中也能找到例证，比如将一冰一热两杯水贴着靠在一起，在尽量减小室温影响的条件下，结果一定是冰水的温度升高，而不会是热水的温度升高。

麦克斯韦妖

热力学第二定律被认为是绝对正确的，因为如果不是，那么所谓的第二类永动机就是可以实现的了。按照第二类永动机的设想，人类可以设计出这样一种装置，使其可以从环境中吸取热量，然后再将这些热量转化为功，从而提供源源不断的动能。

也就是说，他们想要实现从单一的热源上持续吸收热量，而且这些热量可以全部得到利用，不产生损耗或者流失。但是这显然与热力学第二定律是相悖的，要想把第二类永动机变成现实，首先就要推倒这个定律，有没有人做到过呢？

第二类永动机

目前来说还没有，但是一些脑洞大开的科学家一直在不断地提出猜想，试图找到新的突破口，其中有一个理论还产生过不小的影响，这就是麦克斯韦妖理论。

麦克斯韦妖，这个名字乍一看有些奇怪，这个妖指的是什么呢？大约150年前，1871年的时候，英国物理学家詹姆斯麦克斯韦在尝试推翻热力学第二定律时，构想出了一个热力学模型。

麦克斯韦

简单来说，这个模型的结构是一个绝热的容器，正中间同样由绝热的材料分开，两个格子的体积和热力环境相同，而所谓妖其实是一个假想的存在，它的角色类似人类社会中的某一类管理者，它的职责是守卫在两个格子之间的一道小门旁边，当两边的热力分子开始运动时，它可以决定哪些分子可以通过，哪些不能。

按照麦克斯韦的假设，当分子不断撞击小门的时候，这个小妖可以将实现将热分子和冷分子完全分隔在两边的格子里，如此一来，就会形成最大温差，并利用它来进行做功的过程。

面对他的构想，许多物理学家都提出了质疑，比如最关键的那个妖怪的角色，它的所谓“开门”的活动也需要做功，而这必然会消耗掉装置里的热能。

如此一来，下一次的热量流动所能产生的功一定会少于上一次，在有限的流动次数之后，热量最终会被耗尽，因此他们认为麦克斯韦的设想不能成立，这个反驳得到了很多人的支持，但麦克斯韦不这样认为，他之所以将这个管理者的角色称为妖，其实就是为了将它的存在变得虚无缥缈。

按照他的说法，这个妖是无限趋近于不存在的，所谓的门也无限趋近于零质量，因此它做的功可以被看作趋近于零，这个解释在理论上是行得通的，但是麦克斯韦仍然要在实际操作层面将这个妖的角色落实，因为无限趋近于零的另一个意思其实就是不等于零，但另一方面，质疑麦克斯韦妖的科学家也无法在理论上反驳这个设定。

信息熵

1948年，数学家香农提出了信息论，这才彻底将麦克斯韦妖的真面目揭露出来。根据香农的理论，信息是可以被量化、储存并用来进行通信的，它也成为现代应用数学、电子学和计算机科学的一个重要的实践基础。

香农也进一步提出了信息熵的概念，所谓熵是用来度量信息的量度，在数据领域，它指的是一条信息中各类符号的平均比特数。那么信息论是如何反驳麦克斯韦妖的理论的呢？

物理学家Rolf Landauer在信息熵的基础上提出了自己的推论，他认为物理学模型中所假定的一切抽象的信息都意味着对应的物理载体，不管这种载体是宏观层面还是微观层面。

所以麦克斯韦所设想的那个小妖怪要想做到无限趋近于不存在，就相当于是需要将某部分信息从整个模型当中擦除，而这种擦除必然会消耗环境中的能量，并且这个过程是不可逆的，如果可逆，那就意味着可以做到熵减，这显然是无法实现的。

信息论和对它的展开其实已经基本上推翻了麦克斯韦妖的设想，但是还是有许多梦想家仍然在锲而不舍地尝试，想要找到一个能够不做功的妖，比如光学意义上的麦克斯韦妖，量子意义上的麦克斯韦妖，以及所谓的赌徒意义上的麦克斯韦妖等等，但这些变体都没有解决最根本的悖论，那就是如何让这个妖不做功。

结语

科学家们对于第二类永动机的热情不减，各种理论花样层出不穷，虽然没有什么进展，但是还是值得鼓励的，因为在这些试错的过程中，其实也会不断有一些新的东西被发现，科学研究的长度也许没有什么改变，但是在宽度上却有不少延展，这也不失为科学进步的一种方式。