原创《麦克斯韦妖因何神奇》
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一群滨州州立大学的物理学家用一种神奇的方式实现了更加神奇的麦克斯韦妖,这只妖不是一个一个地观察原子,而是一次性地观察了所有原子.这种方法使得他们得到创纪录的低温度.
文｜李淼
麦克斯韦是19世纪人,他提出的一个思想实验,就是著名的麦克斯韦妖.今天,我们为什么要谈这个老话题呢？原因是,最近有一群物理学家利用麦克斯韦妖将一群处于很冷很冷状态的原子变得更冷,这个方法将来也许可以用来实现量子计算.
那么,什么是麦克斯韦妖呢？
我们知道,导热现象有一个很常见的规律,就是热量从来都是从温度高的地方向温度低的地方传导,比如说,我们将冰块放进一杯温水里,稍微等一下,冰就会融化.这个现象说明原本是冰的那块固态水吸收了周围温水的热量融化了,而周围的温水因为释放出热量温度也降低了,这就是热量从温度高的地方向温度低的地方流.我们从来没有见过相反的现象：本来温度一样的一杯水,突然中间一块水结成了冰,而周围的水温度更高了.
温度低的地方只会吸收热量,温度高的地方只会释放热量,这是常识,在物理学中这个现象被总结成一条定律,就是热力学第二定律.
1871年,英国著名物理学家麦克斯韦设想了一个思想实验,他假想,将一杯水用一块板隔开,这块板是绝热的,也就是不传递热量.然后,在板上开一个特别小的窗口,每次,只有一个水分子可以通过.再接下来,设想一个很小很小的小人儿,也就是麦克斯韦妖了,这个小妖站在那个很小的窗口观察,当看到一个速度较高的水分子,他将这个分子放进窗口的右侧；当他看到一个速度较低的水分子,他将这个分子放进窗口的左侧.随着时间的流逝,右侧水中的水分子速度都比左侧的水分子速度高.那么,结论是什么呢？因为麦克斯韦在此之前就知道,水的温度高,水分子的速度就大,水的温度低,水分子的速度就小.于是,麦克斯韦妖实现了一件事,左侧的水温度越来越低,右侧的水温度越来越高,也就是说,左侧水的热量向右侧水流.这完全违反了我们的常识,也就是违背了热力学第二定律.
热力学第二定律在物理学中几乎是一条铁律.除了温度高的热量向温度低的地方流,还有很多类似的现象.比如说,一滴墨水滴进清水里会散开,我们不会见到相反的现象,散开的墨水会突然聚拢成为一滴墨水.用更加流行的话来说,熵只会越来越大,而不会越来越小.更加常见的例子是,我们不用耳机线时会将耳机线整理好,放进口袋里,但非常恼人的是,我们再掏出耳机线时,这个耳机线不出意外地总是又乱成一团.
回到麦克斯韦妖.这只小妖如果存在的话,就会将熵变小,事实上,如果温度低的水温度越来越低,温度高的水温度越来越高,熵确实会越来越小.既然这样,麦克斯韦妖做到了让一杯水的熵变得越来越小.这当然违背了热力学第二定律,因此,麦克斯韦妖应该不存在才对.
那么,最近为什么有人能够利用麦克斯韦妖将一群冷原子变得越来越冷呢？其实,在上世纪中叶,就有物理学家发现,麦克斯韦妖可以实现,但并不破坏热力学第二定律.为什么可以这样呢？因为,假设麦克斯韦妖实现了,它每次开窗口的时候,其实自己要在别的地方拿来能量,否则开了很多次窗口它会累死.这种消耗能量的过程,让整体的熵变大.最近,一群滨州州立大学的物理学家正是用一种神奇的方式实现了麦克斯韦妖.只不过,他们的麦克斯韦妖更加神奇,这只妖不是一个一个地观察原子,而是一次性地观察了所有原子.这种方法使得他们得到创纪录的低温度.
麦克斯韦妖因何神奇论文参考资料：
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