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麦克斯韦妖

时间:2010-12-06 15:00:19  来源:  作者:

麦克斯韦是分子运动论的奠基人,他设想有两箱温度相同的气体,两厢之间有一个小孔,小孔上坐着一个精灵(某种装置),精灵可以控制小孔上的一扇门打开或者关闭。对从左边箱子来的分子,如果运动速度很快,精灵就打开门让它们运动到右边,如果速度较慢,精灵就让门处于关闭的状态。反之从右边箱子来的分子,如果速度较慢,精灵就打开门让它们运动到左边,如果速度较快,精灵就让门关闭。这样左边箱子里的气体将变冷,右边箱子里的气体将不断变热。但问题是我们是否能找到(实现)麦克斯韦妖并破坏热力学第二定律。

对这个问题,费曼曾在费曼物理学讲义第一卷第46章中作过讨论,其大意是:

如果我们造出一个有限大小的精灵,它自己就会变热,使得过了一会以后,不能很好地看清楚东西。举例来说,一个最简单的精灵可以是一扇用弹簧扣住的遮住小孔的活动门。一个快速的分子可以通过,因为它的动能足以推开活动门,慢的分子则只能被弹回去。但这个装置会变热,不久就会由于布朗运动而(活动门)摇动得非常厉害,以至于无法说清到底是处于开放还是关闭的。

费曼这里的思路很简单,就是构造出一个具体的麦克斯韦妖,然后告诉你,在这里热力学第二定律不会被破坏。

布里渊认为,精灵是区分不出快分子和慢分子的,因为精灵本身和这些分子都处于相同温度下,即大家都处在各向同性的黑体辐射之中。Rodd进一步分析道:假设我们允许精灵使用闪光灯,它的辐射与箱子布平衡。那么精灵就能够获得关于分子的信息,从而减少系统的熵。但是,与此同时:

闪光灯灯丝经历了熵的增大;
被分子散射的光子被精灵吸收,并用来增加他的熵;
精灵打开活动门的动作减少了系统的熵;
闪光灯电池组的熵假设不管;
如果所有这些过程都考虑在内,并且从信息增加或减少的观点计算相应的熵变,则Rodd证明总熵变为正值,没有违反第二定律。

在生命现象中,我们发现有类似麦克斯韦妖的装置存在,比如细胞膜上的钠泵,可将3个离子泵出膜内,同时将2个泵入膜内,钠泵不停运转使膜内外离子分布不平衡。但我们知道钠泵的运转是需要不断耗费能量的。系统的总熵变应当仍为正值。

最新的例子是:最近Nature上报道了一种人造的分子装置,使用光作为能量操纵一个活动门实现了麦克斯韦妖,热力学第二定律则仍然是成立的。
 

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