斯韦|关于熵减理论：麦克斯韦妖再现江湖，熵减成真热力学

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综述在小孩子的课本上，我们经常会看到一些有趣的设计，比如为了吸引他们的注意力，会利用一些造型可爱的卡通形象来引导阅读或者思考，像是小动物、小精灵一类的，或者索性就把它们放到题目当中去，设置成问题的内容，不过你可能想不到，这些虚拟的小人不只是在儿童的课本上，就连专业的热力学研究当中也会用到，著名的麦克斯韦妖模型就是一个例子。
麦克斯韦妖当然，麦克斯韦妖并非一个简单的出于教学目的所做的形象设计，它是实实在在代表着一个物理学概念的。在解释麦克斯韦妖之前，我们要先来回顾一下中学物理的内容，在热力学的章节，课本中曾经提到过热力学第二定律，具体内容是在自然状态下，物质的热量总是自发地从高温流向低温，并且这个过程是不可逆的。
也就是说，不存在这样的热源，它能够将热量传导给比自身温度还要高的热源，一个高温热源和一个低温热源之间如果有了导热路径，那么方向永远只能是从高到低，就像水往低处流一样恒定不变。
历史上有许多研究者试图将这一定律推翻，然后制造出所谓的第二类永动机，这种机器能够直接从某个热源上获得热量，然后通过转化将其变成可供人类使用的动能，这些人甚至希望这整个过程可以实现零损耗，像抽血一样把特定热源中的热量完全吸收干净。不过要想把这些设想都变成现实，首先要做的就是找到热力学第二定律的漏洞，只有从这个漏洞当中，才有可能找到突破的关键。
这个看起来异想天开的尝试实际上吸引了很多物理学家，毕竟所谓的定律其实也只是暂时没有被推翻而已，所以针对这个定律衍生出了许多的研究，其中有一个就曾经受到过广泛的关注，也就是麦克斯韦妖理论。
麦克斯韦妖理论诞生于1871年，是由当时有名的英国物理学家詹姆斯麦克斯韦提出来的，这个理论建立在一个看起来非常简易的模型上。在他设计的这个热力学模型中，麦克斯韦首先设置了一个隔绝热量的环境，然后在其中放置了一个容器，这个容器也被隔热的材料分成两个等体积的空间，经过调试之后，两边的热力环境相同。

那么麦克斯韦妖是什么呢？为了实现容器里两个空间的热量交换，麦克斯韦在隔热板上设计了一个小开口，并且为这个开口装上了一道门，麦克斯韦妖就是守卫这道门的门卫，由他来决定可以让哪些热分子通过。

巧思还是漏洞？麦克斯韦妖要完成的任务是让这个空间里的分子实现做功，并且要获得一个最大值，这就需要他首先将热分子和冷分子分离开来，在两边制造出一个最大温差，具体就是当两边分子因为运动撞上这道门的时候，他会打开门，让对应的分子进入到一边空间，而不符合要求的就被留在原来的地方。
麦克斯韦妖的设计可以说非常巧妙，这并不是说他真的找到了热力学第二定律的漏洞，可以实现特定热源不发生消耗并完成自主做功，而是它通过虚拟的思维方式成功逃脱了实操所必然面对的困难，事实是，这个看起来完美解决了热分子流动方向的角色，本身也在整个实验中发生了做功，而做功就意味着会消耗这个容器中的热能。
也就是说，在不断分离热分子和冷分子过程中，热分子的数量是在减少的，因为麦克斯韦妖需要不断地吸收热分子来获得开门、关门的能量，这样一来，每一次做功时，容器内的热量都会比上一次要少，最终，热量还是会消耗殆尽，无法实现一开始的目的。